JP5061394B2 - Surface coated cutting tool - Google Patents
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Description
本発明は、基材上に被覆層を形成した表面被覆切削工具に関し、特に高温での安定性に優れるとともに、刃先のチッピングを抑制することにより工具寿命を長期化させた表面被覆切削工具に関する。 The present invention relates to a surface-coated cutting tool in which a coating layer is formed on a substrate, and more particularly to a surface-coated cutting tool that has excellent stability at high temperatures and prolongs tool life by suppressing chipping of the blade edge.
表面被覆切削工具を構成する基材には、基材の表面保護を目的とするとともに耐摩耗性や靭性等の諸特性の更なる向上を目的として、基材の表面を各種の被覆層で被覆することが古くから行なわれてきた。最近の表面被覆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、および加工効率を一層向上させるため切削速度や送り速度がより高速になってきていることなどの理由から、切削加工時の表面被覆切削工具の刃先温度はますます高温に曝される傾向にある。その結果、表面被覆切削工具の工具寿命が短くなるため、表面被覆切削工具を構成する材料に要求される特性は厳しくなる一方である。 The base material of the surface-coated cutting tool is coated with various coating layers for the purpose of protecting the surface of the base material and further improving various properties such as wear resistance and toughness. It has been done for a long time. Recent trends in surface-coated cutting tools include the need for dry machining that does not require cutting fluids from the viewpoint of global environmental conservation, the diversification of work materials, and cutting speed to further improve machining efficiency. The cutting edge temperature of the surface-coated cutting tool at the time of cutting tends to be exposed to a higher temperature due to reasons such as higher feed rates and higher feed rates. As a result, since the tool life of the surface-coated cutting tool is shortened, the characteristics required for the material constituting the surface-coated cutting tool are becoming stricter.
そこで、表面被覆切削工具の長寿命化のために表面被覆切削工具を構成する材料に要求される特性としては、基材上に形成される被覆層の高温時の安定性(被覆層の耐酸化性や密着性)は勿論のこと、被覆層の耐摩耗性や潤滑性も重要となっている。 Therefore, in order to extend the life of the surface-coated cutting tool, the properties required for the material constituting the surface-coated cutting tool include the stability of the coating layer formed on the substrate at high temperatures (the oxidation resistance of the coating layer). Of course, the wear resistance and lubricity of the coating layer are also important.
表面被覆切削工具の耐摩耗性の改善のため、WC基超硬合金、サーメット、高速度鋼などの基材上に、TiAlNからなる層を単層または複数層積層して、被覆膜を形成することはよく知られている。しかしながら、最近の高速加工およびドライ加工においては、TiAlNのみからなる被覆膜では長寿命の表面被覆切削工具を得ることができないのが現状である。 To improve the wear resistance of surface-coated cutting tools, a layer of TiAlN is laminated on a substrate such as WC-base cemented carbide, cermet, or high-speed steel to form a coating film It is well known to do. However, in recent high-speed machining and dry machining, a long-life surface-coated cutting tool cannot be obtained with a coating film made of only TiAlN.
そこで、表面被覆切削工具のさらなる長寿命化を達成するため、特許文献1には従来より用いられてきたTiAlNからなる被覆層に代えて、AlとCrとVとNとを含む被覆層を形成することにより高温時の安定性に優れた表面被覆切削工具が開示されている。しかしながら、AlとCrとVとNとを含む被覆層は、高温時の安定性を向上させる上での効果はあるものの、被覆層に大きな残留応力を有する傾向にあるため、基材と被覆層との密着性が劣るという課題を有しており、しかも耐摩耗性あるいは耐剥離性が不十分であるという問題もあった。 Therefore, in order to achieve a longer life of the surface-coated cutting tool, Patent Document 1 forms a coating layer containing Al, Cr, V, and N instead of the coating layer made of TiAlN that has been conventionally used. Thus, a surface-coated cutting tool having excellent stability at high temperatures is disclosed. However, the coating layer containing Al, Cr, V, and N has an effect in improving the stability at high temperature, but tends to have a large residual stress in the coating layer. In addition, there is a problem that the adhesiveness is inferior and the wear resistance or peel resistance is insufficient.
そこで、被覆層に含まれる残留応力をより低減すべく、たとえば特許文献2にはAlとCrとNとを含むAlCrN層と、TiとAlとSiとNとを含むTiAlSiN層とを交互に積層させた構造の被覆層が開示されている。
Therefore, in order to further reduce the residual stress contained in the coating layer, for example, in
特許文献2に開示されている表面被覆切削工具により、被覆層の残留応力の問題はほぼ解決されているが、次のような新たな問題点が存在した。すなわち、AlCrN層と、TiAlSiN層との交互層から構成される被覆層は、積層される各層が柱状組織の結晶構造を有するものであり、確かに特許文献1のように被覆層全体を単一の層で形成した場合に比べると被覆層の結晶構造は微細化される傾向を示すものの、未だ被覆層の結晶構造が十分に微細化されていないため、切削加工時に被覆層に発生するクラックの進展を十分に抑制することができず、刃先のチッピングを誘発し、結果として表面被覆切削工具の工具寿命を低下させるという問題があった。
The surface-coated cutting tool disclosed in
そこで、被覆層に発生するクラックの進展の問題を解決するため、表面被覆切削工具にさらに高い負荷が適用されるような条件下では、被覆層を構成する各層の結晶構造をさらに微細化することが求められている。 Therefore, in order to solve the problem of crack growth occurring in the coating layer, the crystal structure of each layer constituting the coating layer should be further refined under conditions where a higher load is applied to the surface-coated cutting tool. Is required.
本発明は、上記のような状況に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、高温での安定性に優れるとともに、刃先のチッピングを抑制することにより工具寿命を長期化させ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 situation as described above, and the object thereof is a surface that has excellent stability at high temperatures and prolongs tool life by suppressing chipping of the blade edge. It is to provide a coated cutting tool.
本発明の表面被覆切削工具は、基材と基材の表面上に形成された被覆層とを含むものであって、被覆層は、A層とB層とが交互にそれぞれ1層以上積層された交互層を含み、A層は、Al(アルミニウム)とCr(クロム)とを含み、Vを含まない窒化物からなり、A層を構成する金属原子の総数を1としたときのCrの原子数比が0.05よりも大きく0.4以下であり、B層は、Al(アルミニウム)とV(バナジウム)とを含み、Crを含まない窒化物からなり、B層を構成する金属原子の総数を1としたときのVの原子数比が0.05以上0.4以下であることを特徴とする。 The surface-coated cutting tool of the present invention includes a base material and a coating layer formed on the surface of the base material, and the coating layer is formed by laminating one or more layers of A layers and B layers alternately. and comprises alternating layers, the layer a is viewed contains a and Al (aluminum) Cr and (chromium), a nitride which does not contain V, and Cr when the one the total number of metal atoms constituting the a layer is 0.4 or less larger than the atomic ratio of 0.05, B layer, viewed contains a Al (aluminum) and V (vanadium), a nitride which does not contain Cr, constituting the B layer metal The atomic ratio of V is 0.05 or more and 0.4 or less when the total number of atoms is 1.
ここで、A層の厚みおよびB層の厚みはそれぞれ1nmよりも大きく200nm以下であることが好ましい。 Here, the thickness of the A layer and the thickness of the B layer are each preferably larger than 1 nm and not larger than 200 nm.
また、被覆層中のCrの原子数比とVの原子数比とが実質的に同じであることが好ましい。 Further, it is preferable that the atomic ratio of Cr and the atomic ratio of V in the coating layer are substantially the same.
また、被覆層の最下層は、A層であってもよく、またB層であっても差し支えない。
また、交互層においてA層とB層とは、中間遷移層を挟んで積層されており、中間遷移層の組成が中間遷移層に接する下層の組成から中間遷移層に接する上層の組成へと厚み方向に連続的に変化することが好ましい。
Further, the lowermost layer of the coating layer may be an A layer or a B layer.
In the alternating layers, the A layer and the B layer are laminated with the intermediate transition layer interposed therebetween, and the thickness of the composition of the intermediate transition layer is changed from the lower layer composition in contact with the intermediate transition layer to the upper layer composition in contact with the intermediate transition layer. It is preferable to change continuously in the direction.
また、被覆層は、−8GPa以上0GPa以下の平均残留応力を有していることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the coating layer has an average residual stress of -8 GPa or more and 0 GPa or less.
また、被覆層の残留応力は、被覆層の厚み方向において変化し、基材から遠ざかるにしたがって被覆層の残留応力の絶対値が大きくなることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the residual stress of the coating layer changes in the thickness direction of the coating layer, and the absolute value of the residual stress of the coating layer increases as the distance from the substrate increases.
また、被覆層の結晶構造は、立方晶であることが好ましい。
また、被覆層の最上層に、CrおよびVの少なくとも一方と、Alと、を含むAlを主成分とする酸化物からなるC層を含む場合には、C層を構成する金属原子の総数を1としたときのCrとVとを合計した原子数の比が0よりも大きく0.4以下であることが好ましい。なお、Alを主成分とする酸化物からなるC層における「主成分」は、C層を構成する金属のうちAlが最も多く含まれることを意味する。
The crystal structure of the coating layer is preferably cubic.
When the uppermost layer of the coating layer includes a C layer made of an oxide containing Al as a main component and containing at least one of Cr and V and Al, the total number of metal atoms constituting the C layer is It is preferable that the ratio of the total number of Cr and V when it is 1 is greater than 0 and 0.4 or less. Note that the “main component” in the C layer made of an oxide containing Al as a main component means that Al is the most contained in the metal constituting the C layer.
また、C層はYをさらに含み、C層を構成する金属原子の総数を1としたときのYの原子数の比が0.01よりも大きく0.1以下であることが好ましい。 The C layer further contains Y, and the ratio of the number of Y atoms when the total number of metal atoms constituting the C layer is 1 is preferably greater than 0.01 and 0.1 or less.
本発明によれば、高温での安定性に優れるとともに刃先のチッピングを抑制することにより工具寿命が長期化した表面被覆切削工具を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the surface-coated cutting tool which was excellent in stability at high temperature and the tool life was prolonged by suppressing chipping of the blade edge can be provided.
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、本発明の表面被覆切削工具の一例の模式的な拡大断面図を示す。図1に示す構成の表面被覆切削工具10は、基材5と、基材5の表面上にA層12とB層13とが交互にそれぞれ1層以上積層された交互層14を含む被覆層11とから構成されている。
<Surface coated cutting tool>
In FIG. 1, the typical expanded sectional view of an example of the surface coating cutting tool of this invention is shown. The surface-coated
図2に、本発明の表面被覆切削工具の他の一例の模式的な拡大断面図を示す。図2に示す構成の表面被覆切削工具10は、基材5と、基材5の表面上にB層13とA層12とが交互にそれぞれ1層以上積層された交互層14を含む被覆層11とから構成されている。
FIG. 2 shows a schematic enlarged cross-sectional view of another example of the surface-coated cutting tool of the present invention. The surface-coated
ここで、基材5と被覆層11とを基本的構成とする本発明の表面被覆切削工具10は、たとえばドリル、エンドミル、フライス加工用刃先交換型切削チップ、旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ、またはクランクシャフトのピンミーリング加工用チップ等として極めて有用に用いることができる。
Here, the surface-coated
<基材>
本発明の表面被覆切削工具10の基材5は、基材5の材料として知られる従来公知のものを特に限定なく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等の炭窒化物等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、およびこれらの混合体など)、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体等を基材5の例として挙げることができる。なお、基材5に超硬合金を使用する場合、組織中に遊離炭素やη相と呼ばれる異常相を含んでいても本発明の効果は示される。
<Base material>
As the
なお、基材5は表面が改質されたものであっても差し支えない。たとえば、基材5に超硬合金を用いる場合には、基材5の表面に脱β層が形成されていてもよく、基材5にサーメットを用いる場合には基材5の表面に硬化層が形成されていてもよく、基材5の表面が改質されていても本発明の効果は示される。
The
<被覆層>
本発明の表面被覆切削工具10の基材5の表面上に形成される被覆層11は、A層12とB層13とが交互にそれぞれ1層以上積層された交互層14を含むことを特徴とする。本発明の表面被覆切削工具10を構成する被覆層11は、A層12とB層13とを交互に積層した交互層14を含む限り、交互層14以外に他の層を含んでいても差し支えない。ここで、他の層の積層配置は特に限定されず、基材5と交互層14との間に形成することができるとともに交互層14上に形成することもでき、基材5上に直接形成することも勿論可能である。
<Coating layer>
The
本発明の表面被覆切削工具10を構成する被覆層11は、基材5の全面を被覆するもののみに限られるものではなく、部分的に被覆層11が形成されていない態様も含み、さらに部分的に被覆層11の一部の積層構成が異なっている態様をも含むものとする。
The
また、被覆層11の厚み(被覆層11全体の厚み)は、0.5μm以上20μm以下であることが好ましい。被覆層11全体の厚みが0.5μm未満である場合には、被覆層11の厚みが薄すぎて表面被覆切削工具10の工具寿命が短くなる傾向にあり、被覆層11の厚みが20μmを超えると切削初期の段階で被覆層11がチッピングしやすくなって表面被覆切削工具10の工具寿命が短くなる傾向にある。
Moreover, it is preferable that the thickness of the coating layer 11 (total thickness of the coating layer 11) is 0.5 μm or more and 20 μm or less. When the total thickness of the
また、表面被覆切削工具10の工具寿命を向上させ、被覆層11のチッピングを抑制する観点からは、被覆層11全体の厚みの上限は15μm以下であることがより好ましく、さらに好ましくは8μm以下である。
Further, from the viewpoint of improving the tool life of the surface-coated
また、同様に、表面被覆切削工具10の工具寿命を向上させ、被覆層11のチッピングを抑制する観点からは、被覆層11全体の厚みの下限は1μm以上であることが好ましく、さらに好ましくは1.5μm以上である。
Similarly, from the viewpoint of improving the tool life of the surface-coated
なお、本発明においては、被覆層11全体の厚みおよび後述の各層の厚みならびに積層数は、いずれも本発明の表面被覆切削工具10を切断し、表面被覆切削工具10の断面を走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)または透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)を用いて観察することにより求めることができる。また、被覆層11を構成する各層の組成は、X線光電子分光分析装置(XPS:X-ray photoelectron spectroscopy)を用いて測定することができる。
In the present invention, the thickness of the
<交互層>
本発明において、被覆層11に含まれる交互層14は、A層12とB層13とが交互にそれぞれ1層以上積層されたものであり、A層12は、AlとCrとを含む窒化物からなり、A層12を構成する金属原子の総数を1としたときのCrの原子数の比が0.05よりも大きく0.4以下であり、B層13は、AlとVとを含む窒化物からなり、B層13を構成する金属原子の総数を1としたときのVの原子数の比が0.05以上0.4以下であるという構成を有している。
<Alternate layers>
In the present invention, the alternating
ここで、交互層14は、応力緩和作用を有するB層13とA層12とを交互に積層して構成されることにより、A層12単独では比較的大きな残留応力を有するために基材5や他の層との密着性が劣るというデメリットを抑制しつつ、従来のAlCrNに比し高温での安定性に優れるというA層12の優れた作用効果を十分に発揮させることが可能となり、表面被覆切削工具10の切削加工時の高温時の安定性を飛躍的に向上させることができる。
Here, the alternating
しかも、応力緩和作用を有するB層13とA層12とを交互に積層してなる交互層14を含むことにより(特に2つのB層13の間にA層12を挟むことにより)、A層12の結晶成長の粗大化を効果的に防止することができ、A層12の結晶構造をより微細化することが可能となる。さらに、B層13についても異なる組成のA層12に隣接するようにして形成されるため、結果的にB層13自体の結晶成長の粗大化も同時に防止することができるという効果もある。
In addition, by including the alternating
また、A層12とB層13とを交互に積層してなる交互層14を含むことにより、高温で高い負荷が適用されるような切削条件下においても被覆層11の表面に発生するクラックの基材5方向への進展を抑制し、刃先のチッピングを極めて有効に防止することができる。特に、この点は、先行技術である特許文献2の表面被覆切削工具が有していた問題点を解消したものであり、極めて大きな産業上の利用性を有するものである。
In addition, by including the alternating
また、A層12とB層13とを交互に積層してなる交互層14を含むことにより、被覆層11においてクラックの進展が抑制されるのは、おそらくA層12の結晶構造の微細化により、被覆層11の表面に発生したクラックが大規模な層剥離に発展することなく、A層12とB層13との界面でクラックの進展が効果的に遮断されるためではないかと推測される。
Further, the inclusion of the alternating
本発明の表面被覆切削工具10は、高温での安定性に優れるとともに刃先のチッピングを抑制することにより、高温でしかも高い負荷がかかるような切削条件下においても耐摩耗性と耐欠損性とを高度に両立させることができるため、表面被覆切削工具10の工具寿命をより長期化させることができる。
The surface-coated
なお、本発明において、交互層14に含まれるA層12の積層数およびB層13の積層数は、交互層14を構成しているA層12およびB層13のそれぞれの積層数のことを意味するものとする。たとえば、交互層14が基材5側から順にA層12、B層13、A層12、B層13およびA層12の順序で積層されて構成されている場合には、交互層14におけるA層12の積層数は3層となり、B層13の積層数は2層となる。A層12およびB層13の最少積層数はA層12およびB層13とも1層ずつであるが、A層12およびB層13の最大積層数は特に限定されない。A層12およびB層13の各層の積層数はそれぞれ10層以上5000層以下とすることが好ましい。A層12およびB層13の各層の積層数がそれぞれ10層未満である場合には各層における結晶構造の微細化への寄与が小さくなる傾向にあり、A層12およびB層13の各層の積層数がそれぞれ5000層を超える場合には1層当りの厚みが薄くなり過ぎてA層12とB層13とが混合する傾向にある。
In the present invention, the number of stacked layers of the A layers 12 and the number of stacked layers of the B layers 13 included in the alternating
また、本発明における交互層14において、A層12とB層13との積層は、たとえば図1に示すようにA層12から開始されていてもよく、たとえば図2に示すようにB層13から開始されていてもよい。すなわち、交互層14において、基材5側に最も近く位置する層はA層12であってもよく、B層13であってもよい。また、交互層14における積層は、A層12で終了してもよいし、B層13で終了してもよい。すなわち、交互層14において、基材5側から最も遠く離れて位置する層はA層12であってもよく、B層13であってもよい。
Further, in the alternating
また、交互層14の厚みは、0.5μm以上20μm以下であることが好ましい。交互層14の厚みが0.5μm未満である場合には、表面被覆切削工具10の工具寿命が低下する場合があり、20μmを超える場合には大きな残留応力に起因して被覆層11自体がチッピングしやすい傾向にある。
Moreover, it is preferable that the thickness of the alternating
また、表面被覆切削工具10の工具寿命を向上させ、被覆層11のチッピングを抑制する観点からは、交互層14の厚みの上限は15μm以下であることがより好ましく、さらに好ましくは10μm以下である。
From the viewpoint of improving the tool life of the surface-coated
また、同様に、表面被覆切削工具10の工具寿命を向上させ、被覆層11のチッピングを抑制する観点からは、交互層14の厚みの下限は1μm以上であることがより好ましく、さらに好ましくは1.5μm以上である。
Similarly, from the viewpoint of improving the tool life of the surface-coated
<A層>
交互層14におけるA層12は、AlとCrとを含む窒化物からなるものであるが、A層12はAlを含んでいるために酸化を防止することが可能な温度が高くなる(高い耐酸化性を有する)。しかも、A層12はAlだけでなくCrも含むためにさらに酸化を防止することが可能な温度が高くなる(高い耐酸化性を有する)。なお、A層12は、AlとCrとN(窒素)とを含む限り他の元素を含んでいても差し支えない。
<A layer>
The A layers 12 in the alternating
また、A層12の結晶構造は、A層12の硬度を高めて被覆層11の硬度を高めるという観点から立方晶であることが好ましい。AlNの結晶構造は通常六方晶であるが、AlNにCrを含有させることにより、AlNの結晶構造が立方晶化するため、A層12が高硬度化する傾向にある。なお、AlNが準安定相である立方晶となったときの推定格子定数は0.412nmである。これに対して、常温常圧で立方晶が安定相であるCrNの格子定数は0.414nmであり、立方晶のAlNの推定格子定数と非常に近く、Crによる引き込み効果によりAlNが立方晶化することとなり、A層12を高硬度化させることができる。
The crystal structure of the
そして、B層13の間にA層12を挟むことにより得られるA層12の結晶構造の微細化の効果は、高温時においても発揮されるため、被覆層11の十分な高温安定性を示すものとなる。
The effect of refining the crystal structure of the
また、A層12を構成する金属原子の総数を1としたときのCrの原子数の比は、0.05よりも大きく0.4以下である。ここで、A層12を構成する金属原子の総数を1としたときのCrの原子数の比が0.05以下の場合にはA層12におけるCrによるAlNの結晶構造の立方晶化の効果が得られない傾向にあり、0.4よりも大きい場合にはA層12の硬度が低下してしまう傾向にある。また、A層12の硬度をより高くする観点からは、A層12のCrの原子数の比は0.2以上0.35以下であることが好ましく、0.25以上0.3以下であることがより好ましい。なお、本発明において「金属原子」とは、水素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、アスタチン、酸素、硫黄、セレン、テルル、窒素、リン、ヒ素、アンチモンおよび炭素以外の元素の原子のことをいう。
The ratio of the number of Cr atoms when the total number of metal atoms constituting the
また、A層12におけるAlとCrとを含む金属原子の総数を1としたときの窒素の原子数の比は0.8以上1.5以下とすることが好ましい。A層12の窒素の原子数の比が0.8未満である場合にはA層12の硬度が低下する傾向にあり、A層12の窒素の原子数の比が1.5を超える場合にも同様にA層12の硬度が低下する傾向にある。
The ratio of the number of nitrogen atoms when the total number of metal atoms including Al and Cr in the
<B層>
交互層14におけるB層13は、AlとVとを含む窒化物からなり、AlとVとNとを含む限り他の元素を含んでいても差し支えない。仮にB層13がVを含有しないAlNからなる場合には、B層13の最表面に強固な酸化層が形成されて、B層13の耐酸化性が1200℃以上となる点で優れているが、B層13の硬度が20〜25GPaと非常に低硬度となるため、耐摩耗性が低下してしまう傾向にある。
<B layer>
The B layers 13 in the alternating
そこで、B層13をAlとVとを含有する窒化物とすることにより、B層13の結晶構造の組織が微細化して小さい残留応力値を示し応力緩和層としての作用を示しつつ、硬度が40〜45GPaと高硬度化して高い耐摩耗性を有するものとなる。しかも、B層13がAlを含有することによりB層13の熱伝導率が高くなり、切削加工時の発熱を表面被覆切削工具10の表面から大気中または工作機械を通して外へ逃がす放熱効果も得られる。
Therefore, by making the B layer 13 a nitride containing Al and V, the structure of the crystal structure of the
B層13がVを含むことにより、表面被覆切削工具10の切削加工時に高温となって被覆層11の表面が酸化される傾向にあるが、Vの酸化物は低融点であるため切削加工時には潤滑剤として作用することになり、被覆層11への被削材の凝着を抑える効果を期待することができる。
When the
また、被覆層11の表面での潤滑性能に起因するものとも考えられるが、B層13がVを含むことにより被覆層11の被削材への耐溶着性を向上させることができるため、切削抵抗を減少させることができ、切りくず排出性も向上させることができる。
Moreover, although it is thought that it originates in the lubrication performance in the surface of the
ここで、B層13を構成する金属原子の総数を1としたときのVの原子数の比は、0.05以上0.4以下である。B層13を構成する金属原子の総数を1としたときのVの原子数の比が0.05未満である場合には残留応力を十分に小さくすることができなくなる傾向にあり、0.4よりも大きい場合にはB層13の硬度が低下する傾向にある。また、B層13の硬度をより高くする観点からは、B層13を構成する金属原子の総数を1としたときのVの原子数の比は0.2以上0.35以下であることが好ましく、0.25以上0.3以下であることがより好ましい。
Here, the ratio of the number of V atoms when the total number of metal atoms constituting the
また、B層13の結晶構造は、B層13の硬度を高めて被覆層11の硬度を高めるという観点から立方晶であることが好ましい。B層13を構成する金属原子の総数を1としたときのVの原子数の比を0.05以上0.4以下とすることにより、常温常圧で準安定相である立方晶のAl化合物を形成し、B層13の硬度をさらに向上させることができる傾向にある。なお、AlN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0.412nmである。これに対して、常温常圧で立方晶が安定相であるVNの格子定数は0.414nmであり、非常に立方晶のAlNの推定格子定数と近く、Vによる引き込み効果によりAlNも立方晶化することとなり、B層12をより高硬度化させることができる。
The crystal structure of the
また、B層13において、CrとVとを含む金属原子の総数を1としたときの窒素の原子数の比は0.8以上1.5以下であることが好ましい。B層13の金属原子の総数を1としたときの窒素の原子数の比が0.8未満である場合にはB層13の硬度が低下する傾向にあり、1.5を超える場合にも同様にB層13の硬度が低下する傾向がある。
In the
<A層またはB層に含まれる他の元素の例>
本発明においては、A層12および/またはB層13にホウ素が原子%で10原子%未満含まれていてもよい。A層12および/またはB層13にホウ素が含まれている場合には、A層12および/またはB層13の硬度をさらに高くすることができる傾向にある。また、切削加工時に被覆層11が高温となって表面が酸化されたときに、被覆層11の表面に形成されるホウ素の酸化物がA層12および/またはB層13に含まれるAlの酸化物を緻密化する傾向にあることからも好ましい。さらに、ホウ素の酸化物の融点は、Vの酸化物と同じく低融点であるため高温での切削加工時においてホウ素の酸化物が潤滑剤として作用し、被覆層11の被削材への溶着を抑えることができる傾向もある。
<Examples of other elements contained in layer A or layer B>
In the present invention, the
また、本発明において、A層12および/またはB層13は、Siを原子%で10原子%未満含有していてもよい。A層12および/またはB層13がSiを含有することにより、A層12および/またはB層13の硬度が高くなる傾向にあるとともに、A層12の結晶構造が微細化してA層12の硬度がさらに高められる傾向もある。
In the present invention, the
<A層およびB層のAl以外の原子数比>
被覆層11中で隣り合うA層12のCrの原子数比(A層12を構成する金属原子の総数を1としたときのCrの原子数比)とB層13のVの原子数比(B層13を構成する金属原子の総数を1としたときのVの原子数比)とが実質的に同じであることが好ましい。常温常圧で立方晶が安定相であるCrNおよびVNの格子定数はいずれも0.414nmであり、準安定な立方晶のAlNの格子定数0.412nmと非常に近いため、A層12のCrの原子数比とB層13のVの原子数比とが実質的に同じである場合には、A層12とB層13との界面での結晶格子が連続となり、A層12とB層13との界面での格子定数の違いによる歪みを低減することができ、被覆層11の全体の応力が低下して、A層12とB層13との間の密着性を向上させることができる。なお、「A層12のCrの原子数比とB層13のVの原子数比とが実質的に同じ」とは、いずれかの分析方法によってA層12のCrの原子数比とB層13のVの原子数比とが全く同一である場合が含まれることは勿論、A層12のCrの原子数比とB層13のVの原子数比との間に多少の微差(A層12のCrの原子数比とB層13のVの原子数比との差の絶対値が3以下)がある場合も含まれるものとする。
<Atom ratio other than Al of A layer and B layer>
The atomic ratio of Cr in the
<A層およびB層の厚み>
A層12の厚みおよびB層13の厚みはそれぞれ1nmよりも大きく200nm以下であることが好ましい。A層12およびB層13をいずれも1nmよりも大きく200nm以下の厚みとすることにより、被覆層11の表面で発生したクラックの進展(基材方向への進展)を最も効果的に抑制することができる傾向にある。また、A層12およびB層13の厚みがそれぞれ1nm以下である場合には、A層12とB層13とが混ざり合ってA層12とB層13とを交互に積層したことによる効果を得られにくい傾向にあり、200nmを超える場合にはクラックの基材5方向への進展を抑制する効果を得られにくい傾向にある。
<Thickness of A layer and B layer>
The thickness of the
また、A層12とB層13とを交互に積層したことによる効果およびクラックの基材5方向への進展を抑制する効果を十分に得る観点からは、A層12の厚みおよびB層13の厚みはそれぞれ、2nm以上50nm以下であることがより好ましく、4nm以上30nm以下であることがさらに好ましい。
Further, from the viewpoint of sufficiently obtaining the effect of alternately laminating the
なお、A層12の厚みは、交互層14中に含まれるそれぞれのA層12において実質的に全てのA層12が同じ厚みであってもよく、A層12の少なくとも1層が他のA層12と異なる厚みであってもよい。また、B層13についても交互層14中に含まれるそれぞれのB層13において実質的に全てのB層13が同じ厚みであってもよいし、B層13の少なくとも1層の厚みが他のB層13と異なる厚みであってもよい。
The thickness of the
<中間遷移層>
交互層14において、A層12とB層13とは、中間遷移層(図示せず)を挟んで積層されていてもよく、中間遷移層の組成は、中間遷移層に接する下層の組成から中間遷移層に接する上層の組成へと中間遷移層の厚み方向に連続的に変化していることが好ましい。たとえば、交互層14において、基材5側から、A層12、中間遷移層およびB層13の順に各層を形成する場合を例にとると、中間遷移層の組成は、中間遷移層の下側(すなわちA層12と接する側)はA層12の組成であって、中間遷移層の厚み方向(基材5から遠ざかる方向)にA層12の組成からB層13の組成に近づくように連続的に変化し、中間遷移層の上側(すなわちB層13と接する側)はB層13の組成であることが好ましい。
<Intermediate transition layer>
In the alternating
中間遷移層を含む交互層14の態様としては、たとえばA層12から積層が開始される場合には、まずA層12上に中間遷移層を形成し、次に中間遷移層上にB層13を形成し、B層13上に中間遷移層を形成し、次いで中間遷移層上にA層12を形成し、以後もA層12とB層13との間に中間遷移層が形成される積層態様を繰り返すことにより交互層14を形成される場合が例示される。なお、本発明においては、A層12とB層13との間に中間遷移層が形成される場合であっても、A層12とB層13とは交互に積層されるという表現を用いるものとする。
As an aspect of the alternating
中間遷移層は、A層12およびB層13と独立して形成する必要はなく、被覆層11の形成方法にもよるが、通常はA層12上にB層13を形成するとき、またはB層13上にA層12を形成するときに、A層12の形成とB層13の形成との途中段階で不可避的に形成されてもよい。中間遷移層は、観察する条件により観察されたり観察されなかったりする程度の層であってもよく、通常TEM等による観察倍率を200万倍以上にする場合において観察される程度の層であってもよい。
The intermediate transition layer does not need to be formed independently of the
なお、A層12とB層13との境界部に中間遷移層が形成されることにより、A層12とB層13との境界部を明確に定めることができない場合には、中間遷移層における厚み方向の中間点をA層12およびB層13の境界部とみなし、A層12およびB層13の厚み等を測定するものとする。
If the boundary between the
<被覆層の最下層>
本発明の表面被覆切削工具10においては、たとえば図1に示すように、被覆層11の最下層をA層12とすることができる。ここで、最下層とは基材5と直接に接触する被覆層11中の層のことである。被覆層11の最下層をA層12とした場合には、切削初期に基材5が露出したとしても、基材5と被覆層11との間の界面からの酸化を抑制することができる傾向にある。
<Lowermost layer of coating layer>
In the surface-coated
また、たとえば図2に示すように、被覆層11の最下層をB層13とすることもできる。被覆層11の最下層をB層13とした場合には、B層13は応力が小さい傾向にあることから、特に負荷が刃先に繰り返しかかるようなフライス加工やエンドミル加工などの断続加工の場合に被覆層11の基材5からの耐剥離性が格段に向上する傾向にある。なお、被覆層11の最下層としては、A層12およびB層13以外の他の層を形成してもよい。
For example, as shown in FIG. 2, the lowermost layer of the
<被覆層の最上層>
本発明の表面被覆切削工具10の被覆層11の形成において、被覆層11の最上層にC層を形成してもよい。被覆層11の最上層にC層を含むことにより、被覆層11の摩擦係数を低減することができるとともに、被覆層11に耐酸化性を付与することもできる。ここで、C層はAl、B(ホウ素)、CrおよびVからなる群より選択された少なくとも1種の金属を含む炭窒化物(炭素と窒素を含む化合物)からなり、C層を構成する金属原子の総数を1としたときのAlの原子数の比および/またはVの原子数の比が0.05以上0.4以下であることが好ましい。なお、本発明の表面被覆切削工具10において、被覆層11の最上層は被覆層11の最表面を構成する層であり、最上層は交互層14上に形成することができる。
<Top layer of coating layer>
In the formation of the
被覆層11の最上層は切削加工時において他の層の表面と比べて最も高温となるが、最上層がC層を含むことにより、被覆層11が酸化することを極めて効果的に防止することができるとともに、被覆層11の被削材に対する摩擦係数が低下することにより、表面被覆切削工具10が長寿命化する傾向にある。一般に、炭素原子を含むことにより摩擦係数が低下する傾向にあり、金属の炭窒化物は金属の窒化物よりも被削材に対する被覆層11の摩擦係数が低い傾向にあることから、C層はAl、B、CrおよびVからなる群より選択された少なくとも1種を含む金属の炭窒化物で構成されることが好ましい。
The uppermost layer of the
また、C層の厚みは0.1μm以上2μm以下であることが好ましい。C層の厚みが0.1μm未満である場合には被覆層11の最表面の潤滑性の付与による表面被覆切削工具10の長寿命化の効果が得られにくい傾向にあり、C層の厚みが2μmを超える場合には表面被覆切削工具10の長寿命化の効果をさらに向上することができない傾向にある。
Moreover, it is preferable that the thickness of C layer is 0.1 micrometer or more and 2 micrometers or less. When the thickness of the C layer is less than 0.1 μm, the effect of extending the life of the surface-coated
また、C層に含まれる窒素の原子数比と炭素の原子数比とを調整することにより、表面被覆切削工具10の表面に所定の色を付与することが可能である。これにより、表面被覆切削工具10の外観に意匠性を付与することができるため、商業上有用となる。窒素の原子数比と炭素との原子数比は、特に限定されるものではないが、C層中の窒素の原子数と炭素の原子数との総数を1としたときの炭素の原子数比は0.05以上0.6以下であることが好ましい。上記のC層中の炭素の原子数比が0.05未満である場合には潤滑性の付与による効果が得られない傾向にあり、0.6を超える場合にはC層の硬度が高くなり過ぎて被覆層11自体がチッピングしやすくなる傾向にもある。
Further, it is possible to impart a predetermined color to the surface of the surface-coated
また、被覆層11の最上層のC層としては、CrおよびVの少なくとも一方と、Alと、を含むAlを主成分とする酸化物からなり、C層を構成する金属原子の総数を1としたときのCrとVとを合計した原子数の比が0よりも大きく0.4以下である層を用いることが好ましい。被覆層11の最上層のC層としてCrおよびVの少なくとも一方と、Alと、を含むAlを主成分とする酸化物からなるC層を用いた場合には、Alを主成分とする酸化物中に含まれるCrおよび/またはVとAlとの置換の効果によって上記のAlを主成分とする酸化物からなるC層の結晶性が向上するとともに、上記のAlを主成分とする酸化物からなるC層中のCrの酸化物および/またはVの酸化物によって表面被覆切削工具の切削時における被削材に対する被覆層11の耐溶着性および被覆層11の耐酸化性が向上することによって表面被覆切削工具10が長寿命化する傾向にある。
The uppermost C layer of the
Alを主成分とする酸化物は、同じAlを主成分とする窒化物や炭窒化物に比べて高温での結晶構造および特性の安定性に優れ、被削材との反応が抑制されるため、被削材に対する被覆層11の耐溶着性が向上するものと考えられる。また、表面被覆切削工具の切削時において上記のAlを主成分とする酸化物からなるC層の表面は、被覆層11中の他の層と比較して酸化雰囲気中で最も高温となるが、Alを主成分とする酸化物は、同じAlを主成分とする窒化物や炭窒化物に比べて高温での耐酸化性に優れるため、被覆層11の耐酸化性が向上する。
Oxides containing Al as the main component are superior in stability of crystal structure and characteristics at high temperatures compared to nitrides and carbonitrides containing the same Al as the main component, and the reaction with the work material is suppressed. It is considered that the welding resistance of the
また、上記のCrおよびVの少なくとも一方とAlとを含むAlを主成分とする酸化物からなるC層の厚みは0.1μm以上4μm以下であることが好ましい。上記のAlを主成分とする酸化物からなるC層の厚みが0.1μm未満である場合には被覆層11の最表面の潤滑性の付与による表面被覆切削工具10の長寿命化の効果が得られにくい傾向にあり、上記のAlを主成分とする酸化物からなるC層の厚みが4μmを超える場合には被覆層11の基材5に対する密着力が低下して上記のAlを主成分とする酸化物からなるC層の形成による効果を十分に発揮できない傾向にある。
Moreover, it is preferable that the thickness of the C layer made of an oxide mainly containing Al containing at least one of Cr and V and Al is 0.1 μm or more and 4 μm or less. When the thickness of the C layer made of an oxide containing Al as a main component is less than 0.1 μm, the effect of prolonging the life of the surface-coated
また、上記のCrおよびVの少なくとも一方とAlとを含むAlを主成分とする酸化物からなるC層の結晶構造は、α−アルミナ型、γ−アルミナ型またはこれらが混在する構造のいずれかであることが好ましい。また、CrおよびVの少なくとも一方とAlとを含むAlを主成分とする酸化物からなるC層はその少なくとも一部が非晶質構造であってもよい。上記のAlを主成分とする酸化物からなるC層の高温中で最も安定な結晶構造はα−アルミナ型であるが、上記のAlを主成分とする酸化物からなるC層が仮にγ−アルミナ型の結晶構造および/または非晶質構造を有していた場合でも、同じAlを主成分とする窒化物や炭窒化物に比べて高温での切削性能が向上する。これは、表面被覆切削工具10の切削時に被覆層11が高温になった場合でも上記のAlを主成分とする酸化物からなるC層は元来酸化物であるため被覆層11の表面からの酸化を抑制することができ、基材5および基材5と上記のAlを主成分とする酸化物からなるC層との間の層の酸化を抑制することができるためである。
Further, the crystal structure of the C layer made of an oxide containing Al as a main component and containing at least one of Cr and V and Al is any one of α-alumina type, γ-alumina type, or a structure in which these are mixed. It is preferable that Further, at least a part of the C layer made of an oxide containing Al containing at least one of Cr and V and Al may have an amorphous structure. The most stable crystal structure of the C layer made of an oxide containing Al as a main component at a high temperature is α-alumina type. However, if the C layer made of an oxide containing Al as a main component is γ- Even in the case of having an alumina type crystal structure and / or an amorphous structure, cutting performance at a high temperature is improved as compared with a nitride or carbonitride containing the same Al as a main component. This is because, even when the
また、上記のCrおよびVの少なくとも一方とAlとを含むAlを主成分とする酸化物からなるC層はYをさらに含み、上記のAlを主成分とする酸化物からなるC層を構成する金属原子の総数を1としたときのYの原子数の比を0.01よりも大きく0.1以下とすることがさらに切削性能を向上させる観点から好ましい。上記のAlを主成分とする酸化物からなるC層中にYが含まれる場合には、Yの酸化物がAlを主成分とする酸化物の結晶粒界に析出して酸素の粒界拡散を抑制することができるため、基材5の酸化を著しく低減することができる傾向にある。これにより、刃先温度が高くなる連続旋削や比較的負荷の小さいフライス加工において表面被覆切削工具10の寿命をさらに長くすることができる傾向にある。
Further, the C layer made of an oxide containing Al as a main component and containing at least one of Cr and V and Al further constitutes a C layer made of an oxide containing Al as a main component. From the viewpoint of further improving the cutting performance, it is preferable that the ratio of the number of Y atoms when the total number of metal atoms is 1 is greater than 0.01 and not greater than 0.1. When Y is contained in the above-mentioned C layer made of an oxide containing Al as a main component, the oxide of Y precipitates at the crystal grain boundary of the oxide containing Al as the main component, and oxygen grain boundary diffusion Therefore, the oxidation of the
本発明の表面被覆切削工具10においては、たとえば図5に示すように、被覆層11の最上層をC層15とし、最下層をA層12とすることができる。また、たとえば図6に示すように、被覆層11の最上層をC層15とし、被覆層11の最下層をB層13とすることもできる。ただし、本発明の表面被覆切削工具10の被覆層11の最上層がC層15である場合の構造は図5および図6に示す構造に限定されるものではない。
In the surface-coated
<被覆層の残留応力>
本発明の表面被覆切削工具10を構成する被覆層11は、−8GPa以上0GPa以下の平均残留応力を有していることが好ましい。すなわち、被覆層11の残留応力を平均すると−8GPa以上0GPa以下の平均残留応力となることが好ましく、便宜的に応力が解放されて被覆層11に残留応力を有さない場合であってもよい。被覆層11が−8GPa以上0GPa以下の平均残留応力を有することにより、被覆層11にチッピングが発生することを抑制することができるため、本発明の表面被覆切削工具10の刃先の信頼性が向上し、表面被覆切削工具10の工具寿命を長期化することができる。
<Residual stress of coating layer>
The
また、表面被覆切削工具10の工具寿命を長期化する観点からは、被覆層11の平均残留応力は、−5GPa以上−0.5GPa以下であることが好ましく、−3GPa以上−0.5GPa以下であることがより好ましい。
From the viewpoint of extending the tool life of the surface-coated
被覆層11の平均残留応力が0GPaを超えて「正」の数値を有するようになると、引張残留応力となるため被覆層11の表面で発生したクラックの基材5方向への進展を抑制しにくい傾向がある。一方、被覆層11の平均残留応力が−8GPa未満になると圧縮残留応力が大きすぎて(すなわち、平均残留応力の絶対値が大きくなりすぎて)、切削開始前に表面被覆切削工具10のエッジ部から被覆層11が剥離して表面被覆切削工具10の工具寿命が短くなる傾向がある。なお、本発明において被覆層11の平均残留応力とは、被覆層11全体の残留応力の平均値のことである。また、本明細書において、圧縮残留応力という記載と数値とを併記する場合には、数値にあえてマイナスの符号を付さないで表記するものとする。
When the average residual stress of the
また、被覆層11の平均残留応力は、被覆層11の表面に発生するクラックの基材5側への進展をより効果的に抑制するという観点から、被覆層11の厚み方向において変化し、基材5から遠ざかるにしたがって平均残留応力の絶対値が大きくなること(すなわち圧縮残留応力が大きくなること)が好ましい。なお、本発明において被覆層11の平均残留応力は、X線応力測定装置を用いたsin2ψ法により測定することができる。
Further, the average residual stress of the
<被覆層の結晶構造>
本発明の表面被覆切削工具10を構成する被覆層11の結晶構造は立方晶であることが好ましい。被覆層11の結晶構造が立方晶である場合には、被覆層11の硬度が向上する傾向にある。たとえば、窒化物であるAlNを例にとると、AlNは通常六方晶であるが、準安定相である立方晶となった場合の格子定数は0.412nmであるのに対して、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0.414nmであり、立方晶のAlNと非常に格子定数が近いため、CrまたはVによる引き込み効果によりAlNは立方晶化して高硬度化する。このため、上記のA層12は、AlとCrまたはVとを含む窒化物とすることにより立方晶とすることが可能となる。
<Crystal structure of coating layer>
The crystal structure of the
このように、被覆層11に含まれるA層12および/またはB層13のそれぞれの結晶構造を立方晶とすることにより、被覆層11の硬度が向上して耐摩耗性に優れた表面被覆切削工具10とすることができる。なお、被覆層11および被覆層11中のA層12およびB層13などの結晶構造はそれぞれ、当該分野で公知のX線回折装置により解析することができる。
In this way, by making each crystal structure of the
<製造方法>
本発明の表面被覆切削工具10は、たとえば、基材5を準備する工程と、物理的蒸着法を用いて基材5上にA層12とB層13とを交互にそれぞれ1層以上積層して交互層14を形成する工程と、を少なくとも含む方法により製造することができる。ここで、耐摩耗性を有する交互層14を基材5の表面上に形成するためには、結晶性の高い化合物からなる層を形成することが好ましい。そこで、交互層14の形成方法として種々の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が明らかとなった。
<Manufacturing method>
In the surface-coated
物理的蒸着法としては、たとえば、カソードアークイオンプレーティング法、バランスドマグネトロンスパッタリング法およびアンバランスドマグネトロンスパッタリング法からなる群から選択された少なくとも1種を用いることができる。なお、被覆層11として交互層14以外の層も、たとえば物理的蒸着法などにより形成することができる。
As the physical vapor deposition method, for example, at least one selected from the group consisting of a cathode arc ion plating method, a balanced magnetron sputtering method, and an unbalanced magnetron sputtering method can be used. Note that layers other than the alternating
ここで、物理的蒸着法としては、カソードアークイオンプレーティング法を用いることが好ましい。物理的蒸着法としてカソードアークイオンプレーティング法を用いた場合には、被覆層11を形成する前に基材5の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、基材5と被覆層11との密着性を格段に向上させることができる。また、カソードアークイオンプレーティング法は、原料元素のイオン化率が高いという利点もある。
Here, as a physical vapor deposition method, it is preferable to use a cathode arc ion plating method. When the cathodic arc ion plating method is used as the physical vapor deposition method, it is possible to perform metal ion bombardment treatment on the surface of the
ここで、カソードアークイオンプレーティング法は、たとえば、カソードアークイオンプレーティング装置内に基材5を設置するとともにカソードとしてターゲットを設置した後に、ターゲットに高電流を印加してアーク放電を生じさせることによってターゲットを構成する原子を蒸発、イオン化させて、基材5上に物質を堆積させることにより積層を行なうことができる。
Here, in the cathode arc ion plating method, for example, after the
また、バランスドマグネトロンスパッタリング法は、たとえば、装置内に基材5を設置するとともに平衡な磁場を形成する磁石を備えたマグネトロン電極上にターゲットを設置した後に、マグネトロン電極と基材5との間に高周波電力を印加してガスプラズマを発生させ、このガスプラズマの発生により生じたガスのイオンをターゲットに衝突させてターゲットから放出された原子をイオン化させ基材5上に堆積させることにより行なうことができる。
In addition, the balanced magnetron sputtering method, for example, sets the
また、アンバランストマグネトロンスパッタリング法は、たとえば、バランスドマグネトロンスパッタリング法におけるマグネトロン電極により発生する磁場を非平衡にして行なうことができる。 Further, the unbalanced magnetron sputtering method can be performed, for example, by making the magnetic field generated by the magnetron electrode in the balanced magnetron sputtering method non-equilibrium.
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。以下のようにして、実施例1〜16および比較例1〜4のそれぞれの表面被覆切削工具を作製し、それぞれ表面被覆切削工具の工具寿命を評価した。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to these. The surface-coated cutting tools of Examples 1 to 16 and Comparative Examples 1 to 4 were produced as follows, and the tool life of each surface-coated cutting tool was evaluated.
表1に実施例1〜16および比較例1〜4のそれぞれの表面被覆切削工具の被覆層の構成を示し、表2に表面被覆切削工具の被覆層の特性(硬度および圧縮残留応力)および結晶構造を示す。また、表3に実施例1〜16および比較例1〜4の表面被覆切削工具について断続切削試験および強断続切削試験を行なったときのそれぞれの工具寿命の評価結果を示す。また、表4に断続切削試験および強断続切削試験の切削条件(被削材、切削速度vc、送りfzおよび切り込みap)を示す。 Table 1 shows the configuration of the coating layer of each surface-coated cutting tool of Examples 1 to 16 and Comparative Examples 1 to 4, and Table 2 shows the characteristics (hardness and compressive residual stress) and crystal of the coating layer of the surface-coated cutting tool. The structure is shown. Table 3 shows the evaluation results of the tool life when the intermittent cutting test and the strong intermittent cutting test were performed on the surface-coated cutting tools of Examples 1 to 16 and Comparative Examples 1 to 4. Table 4 shows cutting conditions (work material, cutting speed vc, feed fz, and cutting ap) of the intermittent cutting test and the strong intermittent cutting test.
(実施例1)
図3に、カソードアークイオンプレーティング装置の模式的な側面図を示し、図4に、図3に示すカソードアークイオンプレーティング装置30の模式的な上面図を示す。
Example 1
FIG. 3 shows a schematic side view of the cathode arc ion plating apparatus, and FIG. 4 shows a schematic top view of the cathode arc
図3に示すように、カソードアークイオンプレーティング装置30には、チャンバ1内に被覆層の金属原料となる合金製ターゲットであるA層用カソード6と、B層用カソード7と、基材5を設置するための回転式基材ホルダ4とが取り付けられている。A層用カソード6にはアーク電源8が取り付けられ、B層用カソード7にはアーク電源9が取り付けられている。また、回転式基材ホルダ4には、バイアス電源20が取り付けられている。また、チャンバ1内にはガスが導入されるガス導入口2が設けられるとともにチャンバ1内の圧力を調節するためにガス排出口3が設けられており、ガス排出口3から真空ポンプによりチャンバ1内のガスを吸引し、チャンバ1内の圧力を調節できる構造となっている。
As shown in FIG. 3, the cathode arc
以下に、実施例1の表面被覆切削工具の製造方法について説明する。まず、図3に示すように、カソードアークイオンプレーティング装置30の回転式基材ホルダ4に、グレードがJIS規格P20の超硬合金であって、形状がSDKN42MTである基材5を装着した。
Below, the manufacturing method of the surface coating cutting tool of Example 1 is demonstrated. First, as shown in FIG. 3, a
そして、A層用カソード6にAl0.65Cr0.35ターゲットをセットし、B層用カソード7にAl0.7V0.3ターゲットをセットした。そして、真空ポンプによりチャンバ1内を減圧するとともに、基材5を回転させながらカソードアークイオンプレーティング装置30のチャンバ1内に設置されたヒータにより温度を600℃に加熱し、チャンバ1内の圧力が1.0×10-4Paとなるまで真空引きを行なった。
Then, an Al 0.65 Cr 0.35 target was set on the
次に、ガス導入口2からArガスを導入してチャンバ1内の圧力を3.0Paに保持し、バイアス電源20の電圧を徐々に上げながら−1000Vとし、基材5の表面のクリーニングを30分間行なった。その後、チャンバ1内からアルゴンガスを排気し、基材5の表面をスパッタすることによってクリーニングした。
Next, Ar gas is introduced from the
次に、基材5を中央で回転させた状態で、ガス導入口2から反応ガスとして窒素を導入しながら、基材5の温度を600℃に設定し、反応ガス圧を2.0Paにした上で、バイアス電源20の電圧を−50V〜−400Vの範囲のある一定値に維持したまま、または徐々に変化させながらA層用カソード6およびB層用カソード7にそれぞれ100Aのアーク電流を供給することによって、アーク放電によりA層用カソード6およびB層用カソード7から金属イオンを発生させて、基材5上に0.006μm厚みのAl0.65Cr0.35N層からなるA層をまず形成した後に0.006μm厚みのAl0.7V0.3N層からなるB層を形成し、その後、A層とB層とをこの順序で1層ずつ交互に積層した(すなわち、最下層はAl0.65Cr0.35N層からなるA層となる)。なお、A層およびB層のそれぞれの厚みについては基材5の回転速度の増減により調整した。
Next, with the
そして、A層の積層数およびB層の積層数がそれぞれ300層になったところで(A層の合計厚み:1.8μm、B層の合計厚み:1.8μm)、A層用カソード6およびB層用カソード7に供給する電流をストップした。
When the number of layers A and B is 300 (total thickness of layer A: 1.8 μm, total thickness of layer B: 1.8 μm),
以上により、A層とB層との交互層からなる被覆層を形成し、実施例1の表面被覆切削工具(刃先交換型切削チップ)を作製した。そして、被覆層の形成後は、カソードアークイオンプレーティング装置30内のガスを排気した。実施例1の表面被覆切削工具の被覆層の断面をSEMにより観察したところ被覆層全体の厚み(総合計厚み)は3.6μmであることが確認された。
By the above, the coating layer which consists of an alternating layer of A layer and B layer was formed, and the surface coating cutting tool (blade tip exchange type cutting tip) of Example 1 was produced. And after formation of a coating layer, the gas in the cathode arc
(実施例2)
図3に示すカソードアークイオンプレーディング装置30の回転式基材ホルダ4に基材5をセットするとともに、A層用カソード6にAl0.75Cr0.25ターゲットをセットし、B層用カソード7にAl0.8V0.2ターゲットをセットした。
(Example 2)
The
そして、基材上にまず0.006μmの厚みのAl0.75Cr0.25N層からなるA層を形成し、次に0.006μmの厚みのAl0.8V0.2N層からなるB層を形成し、その後、A層とB層とをこの順序で1層ずつ交互に積層した(すなわち、最下層はAl0.75Cr0.25N層からなるA層となる)。なお、A層およびB層のそれぞれの厚みについては基材5の回転速度の増減により調整した。
Then, an A layer composed of an Al 0.75 Cr 0.25 N layer having a thickness of 0.006 μm is first formed on the substrate, and then a B layer composed of an Al 0.8 V 0.2 N layer having a thickness of 0.006 μm is formed. The A layer and the B layer were alternately stacked one by one in this order (that is, the lowermost layer is an A layer composed of an Al 0.75 Cr 0.25 N layer). In addition, about each thickness of A layer and B layer, it adjusted by increase / decrease in the rotational speed of the
そして、A層の積層数およびB層の積層数がそれぞれ300層になったところで(A層の合計厚み:1.8μm、B層の合計厚み:1.8μm)、A層用カソード6およびB層用カソード7に供給する電流をストップした。
When the number of layers A and B is 300 (total thickness of layer A: 1.8 μm, total thickness of layer B: 1.8 μm),
上記以外は実施例1と同様にして、A層とB層との交互層からなる被覆層を形成し、実施例2の表面被覆切削工具(刃先交換型切削チップ)を作製した。そして、被覆層の形成後は、カソードアークイオンプレーティング装置30内のガスを排気した。実施例2の表面被覆切削工具の被覆層の断面をSEMにより観察したところ被覆層全体の厚み(総合計厚み)は3.6μmであることが確認された。
Except for the above, a coating layer composed of alternating layers of A and B layers was formed in the same manner as in Example 1, and a surface-coated cutting tool (blade-replaceable cutting tip) of Example 2 was produced. And after formation of a coating layer, the gas in the cathode arc
(実施例3)
図3に示すカソードアークイオンプレーディング装置30の回転式基材ホルダ4に基材5をセットするとともに、A層用カソード6にAl0.9Cr0.1ターゲットをセットし、B層用カソード7にAl0.85V0.15ターゲットをセットした。
(Example 3)
A
そして、基材上にまず0.006μmの厚みのAl0.9Cr0.1N層からなるA層を形成し、次に0.006μmの厚みのAl0.85V0.15N層からなるB層を形成し、その後、A層とB層とをこの順序で1層ずつ交互に積層した(すなわち、最下層はAl0.9Cr0.1N層からなるA層となる)。なお、A層およびB層のそれぞれの厚みについては基材5の回転速度の増減により調整した。
Then, an A layer made of an Al 0.9 Cr 0.1 N layer having a thickness of 0.006 μm is formed on the substrate, and then a B layer made of an Al 0.85 V 0.15 N layer having a thickness of 0.006 μm is formed. The A layer and the B layer were alternately stacked one by one in this order (that is, the lowermost layer is an A layer composed of an Al 0.9 Cr 0.1 N layer). In addition, about each thickness of A layer and B layer, it adjusted by increase / decrease in the rotational speed of the
そして、A層の積層数およびB層の積層数がそれぞれ300層になったところで(A層の合計厚み:1.8μm、B層の合計厚み:1.8μm)、A層用カソード6およびB層用カソード7に供給する電流をストップした。
When the number of layers A and B is 300 (total thickness of layer A: 1.8 μm, total thickness of layer B: 1.8 μm),
上記以外は実施例1と同様にして、A層とB層との交互層からなる被覆層を形成し、実施例3の表面被覆切削工具(刃先交換型切削チップ)を作製した。そして、被覆層の形成後は、カソードアークイオンプレーティング装置30内のガスを排気した。実施例3の表面被覆切削工具の被覆層の断面をSEMにより観察したところ被覆層全体の厚み(総合計厚み)は3.6μmであることが確認された。
Except for the above, a coating layer composed of alternating layers of A and B layers was formed in the same manner as in Example 1, and a surface-coated cutting tool (blade-replaceable cutting tip) of Example 3 was produced. And after formation of a coating layer, the gas in the cathode arc
(実施例4)
図3に示すカソードアークイオンプレーディング装置30の回転式基材ホルダ4に基材5をセットするとともに、A層用カソード6にAl0.65Cr0.35ターゲットをセットし、B層用カソード7にAl0.7V0.3ターゲットをセットした。
(Example 4)
A
そして、基材上にまず0.002μmの厚みのAl0.7V0.3N層からなるB層を形成し、次に0.002μmの厚みのAl0.65Cr0.35N層からなるA層を形成し、その後、B層とA層とをこの順序で1層ずつ交互に積層した(すなわち、最下層はAl0.7V0.3N層からなるB層となる)。なお、A層およびB層のそれぞれの厚みについては基材5の回転速度の増減により調整した。
Then, a B layer made of an Al 0.7 V 0.3 N layer having a thickness of 0.002 μm is first formed on the substrate, and then an A layer made of an Al 0.65 Cr 0.35 N layer having a thickness of 0.002 μm is formed. The B layer and the A layer were alternately stacked one by one in this order (that is, the lowermost layer is a B layer made of an Al 0.7 V 0.3 N layer). In addition, about each thickness of A layer and B layer, it adjusted by increase / decrease in the rotational speed of the
そして、A層の積層数およびB層の積層数がそれぞれ500層になったところで(A層の合計厚み:1.0μm、B層の合計厚み:1.0μm)、A層用カソード6およびB層用カソード7に供給する電流をストップした。
When the number of layers A and B is 500 (total thickness of layer A: 1.0 μm, total thickness of layer B: 1.0 μm), cathode A for
上記以外は実施例1と同様にして、A層とB層との交互層からなる被覆層を形成し、実施例4の表面被覆切削工具(刃先交換型切削チップ)を作製した。そして、被覆層の形成後は、カソードアークイオンプレーティング装置30内のガスを排気した。実施例4の表面被覆切削工具の被覆層の断面をSEMにより観察したところ被覆層全体の厚み(総合計厚み)は2.0μmであることが確認された。
Except for the above, a coating layer composed of alternating layers of A and B layers was formed in the same manner as in Example 1, and a surface-coated cutting tool (blade-exchangeable cutting tip) of Example 4 was produced. And after formation of a coating layer, the gas in the cathode arc
(実施例5)
図3に示すカソードアークイオンプレーディング装置30の回転式基材ホルダ4に基材5をセットするとともに、A層用カソード6にAl0.65Cr0.35ターゲットをセットし、B層用カソード7にAl0.7V0.3ターゲットをセットした。
(Example 5)
A
そして、基材上にまず0.015μmの厚みのAl0.7V0.3N層からなるB層を形成し、次に0.015μmの厚みのAl0.65Cr0.35N層からなるA層を形成し、その後、B層とA層とをこの順序で1層ずつ交互に積層した(すなわち、最下層はAl0.7V0.3N層からなるB層となる)。なお、A層およびB層のそれぞれの厚みについては基材5の回転速度の増減により調整した。
Then, a B layer made of an Al 0.7 V 0.3 N layer having a thickness of 0.015 μm is first formed on the substrate, and then an A layer made of an Al 0.65 Cr 0.35 N layer having a thickness of 0.015 μm is formed. The B layer and the A layer were alternately stacked one by one in this order (that is, the lowermost layer is a B layer made of an Al 0.7 V 0.3 N layer). In addition, about each thickness of A layer and B layer, it adjusted by increase / decrease in the rotational speed of the
そして、A層の積層数およびB層の積層数がそれぞれ150層になったところで(A層の合計厚み:2.3μm、B層の合計厚み:2.3μm)、A層用カソード6およびB層用カソード7に供給する電流をストップした。
When the number of layers A and B is 150 (total thickness of layer A: 2.3 μm, total thickness of layer B: 2.3 μm),
上記以外は実施例1と同様にして、A層とB層との交互層からなる被覆層を形成し、実施例5の表面被覆切削工具(刃先交換型切削チップ)を作製した。そして、被覆層の形成後は、カソードアークイオンプレーティング装置30内のガスを排気した。実施例5の表面被覆切削工具の被覆層の断面をSEMにより観察したところ被覆層全体の厚み(総合計厚み)は4.6μmであることが確認された。
Except for the above, a coating layer composed of alternating layers of A and B layers was formed in the same manner as in Example 1, and a surface-coated cutting tool (blade-replaceable cutting tip) of Example 5 was produced. And after formation of a coating layer, the gas in the cathode arc
(実施例6)
図3に示すカソードアークイオンプレーディング装置30の回転式基材ホルダ4に基材5をセットするとともに、A層用カソード6にAl0.65Cr0.35ターゲットをセットし、B層用カソード7にAl0.7V0.3ターゲットをセットした。
(Example 6)
A
そして、基材上にまず0.05μmの厚みのAl0.7V0.3N層からなるB層を形成し、次に0.05μmの厚みのAl0.65Cr0.35N層からなるA層を形成し、その後、B層とA層とをこの順序で1層ずつ交互に積層した(すなわち、最下層はAl0.7V0.3N層からなるB層となる)。なお、A層およびB層のそれぞれの厚みについては基材5の回転速度の増減により調整した。
Then, a B layer made of an Al 0.7 V 0.3 N layer having a thickness of 0.05 μm is formed on the substrate, and then an A layer made of an Al 0.65 Cr 0.35 N layer having a thickness of 0.05 μm is formed. The B layer and the A layer were alternately stacked one by one in this order (that is, the lowermost layer is a B layer made of an Al 0.7 V 0.3 N layer). In addition, about each thickness of A layer and B layer, it adjusted by increase / decrease in the rotational speed of the
そして、A層の積層数およびB層の積層数がそれぞれ50層になったところで(A層の合計厚み:2.5μm、B層の合計厚み:2.5μm)、A層用カソード6およびB層用カソード7に供給する電流をストップした。
When the number of layers A and B is 50 (total thickness of layer A: 2.5 μm, total thickness of layer B: 2.5 μm),
上記以外は実施例1と同様にして、A層とB層との交互層からなる被覆層を形成し、実施例6の表面被覆切削工具(刃先交換型切削チップ)を作製した。そして、被覆層の形成後は、カソードアークイオンプレーティング装置30内のガスを排気した。実施例6の表面被覆切削工具の被覆層の断面をSEMにより観察したところ被覆層全体の厚み(総合計厚み)は5.0μmであることが確認された。
Except for the above, a coating layer composed of alternating layers of A and B layers was formed in the same manner as in Example 1, and a surface-coated cutting tool (blade-replaceable cutting tip) of Example 6 was produced. And after formation of a coating layer, the gas in the cathode arc
(実施例7)
図3に示すカソードアークイオンプレーディング装置30の回転式基材ホルダ4に基材5をセットするとともに、A層用カソード6にAl0.65Cr0.35ターゲットをセットし、B層用カソード7にAl0.7V0.3ターゲットをセットした。
(Example 7)
A
そして、基材上にまず0.15μmの厚みのAl0.7V0.3N層からなるB層を形成し、次に0.15μmの厚みのAl0.65Cr0.35N層からなるA層を形成し、その後、B層とA層とをこの順序で1層ずつ交互に積層した(すなわち、最下層はAl0.7V0.3N層からなるB層となる)。なお、A層およびB層のそれぞれの厚みについては基材5の回転速度の増減により調整した。
Then, a B layer made of an Al 0.7 V 0.3 N layer having a thickness of 0.15 μm is first formed on the substrate, and then an A layer made of an Al 0.65 Cr 0.35 N layer having a thickness of 0.15 μm is formed. The B layer and the A layer were alternately stacked one by one in this order (that is, the lowermost layer is a B layer made of an Al 0.7 V 0.3 N layer). In addition, about each thickness of A layer and B layer, it adjusted by increase / decrease in the rotational speed of the
そして、A層の積層数およびB層の積層数がそれぞれ10層になったところで(A層の合計厚み:1.5μm、B層の合計厚み:1.5μm)、A層用カソード6およびB層用カソード7に供給する電流をストップした。
When the number of layers A and B is 10 (total thickness of layer A: 1.5 μm, total thickness of layer B: 1.5 μm), cathode A for
上記以外は実施例1と同様にして、A層とB層との交互層からなる被覆層を形成し、実施例7の表面被覆切削工具(刃先交換型切削チップ)を作製した。そして、被覆層の形成後は、カソードアークイオンプレーティング装置30内のガスを排気した。実施例7の表面被覆切削工具の被覆層の断面をSEMにより観察したところ被覆層全体の厚み(総合計厚み)は3.0μmであることが確認された。
Except for the above, a coating layer composed of alternating layers of A and B layers was formed in the same manner as in Example 1, and a surface-coated cutting tool (blade-replaceable cutting tip) of Example 7 was produced. And after formation of a coating layer, the gas in the cathode arc
(実施例8)
図3に示すカソードアークイオンプレーディング装置30の回転式基材ホルダ4に基材5をセットするとともに、A層用カソード6にAl0.65Cr0.35ターゲットをセットし、B層用カソード7にAl0.7V0.3ターゲットをセットした。
(Example 8)
A
そして、基材上にまず0.006μmの厚みのAl0.65Cr0.35N層からなるA層を形成し、次に0.006μmの厚みのAl0.7V0.3N層からなるB層を形成し、その後、A層とB層とをこの順序で1層ずつ交互に積層した(すなわち、最下層はAl0.65Cr0.35N層からなるA層となる)。なお、A層およびB層のそれぞれの厚みについては基材5の回転速度の増減により調整した。
Then, an A layer composed of an Al 0.65 Cr 0.35 N layer having a thickness of 0.006 μm is formed on the substrate, and then a B layer composed of an Al 0.7 V 0.3 N layer having a thickness of 0.006 μm is formed. The A layer and the B layer were alternately laminated one by one in this order (that is, the lowermost layer is an A layer composed of an Al 0.65 Cr 0.35 N layer). In addition, about each thickness of A layer and B layer, it adjusted by increase / decrease in the rotational speed of the
そして、A層の積層数およびB層の積層数がそれぞれ80層になったところで(A層の合計厚み:0.5μm、B層の合計厚み:0.5μm)、A層用カソード6およびB層用カソード7に供給する電流をストップした。
When the number of layers A and B is 80 (total thickness of layer A: 0.5 μm, total thickness of layer B: 0.5 μm),
上記以外は実施例1と同様にして、A層とB層との交互層からなる被覆層を形成し、実施例8の表面被覆切削工具(刃先交換型切削チップ)を作製した。そして、被覆層の形成後は、カソードアークイオンプレーティング装置30内のガスを排気した。実施例8の表面被覆切削工具の被覆層の断面をSEMにより観察したところ被覆層全体の厚み(総合計厚み)は1.0μmであることが確認された。
Except for the above, a coating layer composed of alternating layers of A and B layers was formed in the same manner as in Example 1, and a surface-coated cutting tool (blade-exchangeable cutting tip) of Example 8 was produced. And after formation of a coating layer, the gas in the cathode arc
(実施例9)
図3に示すカソードアークイオンプレーディング装置30の回転式基材ホルダ4に基材5をセットするとともに、A層用カソード6にAl0.65Cr0.35ターゲットをセットし、B層用カソード7にAl0.7V0.3ターゲットをセットした。
Example 9
A
そして、基材上にまず0.006μmの厚みのAl0.65Cr0.35N層からなるA層を形成し、次に0.006μmの厚みのAl0.7V0.3N層からなるB層を形成し、その後、A層とB層とをこの順序で1層ずつ交互に積層した(すなわち、最下層はAl0.65Cr0.35N層からなるA層となる)。なお、A層およびB層のそれぞれの厚みについては基材5の回転速度の増減により調整した。
Then, an A layer composed of an Al 0.65 Cr 0.35 N layer having a thickness of 0.006 μm is formed on the substrate, and then a B layer composed of an Al 0.7 V 0.3 N layer having a thickness of 0.006 μm is formed. The A layer and the B layer were alternately laminated one by one in this order (that is, the lowermost layer is an A layer composed of an Al 0.65 Cr 0.35 N layer). In addition, about each thickness of A layer and B layer, it adjusted by increase / decrease in the rotational speed of the
そして、A層の積層数およびB層の積層数がそれぞれ600層になったところで(A層の合計厚み:3.6μm、B層の合計厚み:3.6μm)、A層用カソード6およびB層用カソード7に供給する電流をストップした。
Then, when the number of layers A and B is 600 (total thickness of layer A: 3.6 μm, total thickness of layer B: 3.6 μm), cathode A for
上記以外は実施例1と同様にして、A層とB層との交互層からなる被覆層を形成し、実施例9の表面被覆切削工具(刃先交換型切削チップ)を作製した。そして、被覆層の形成後は、カソードアークイオンプレーティング装置30内のガスを排気した。実施例9の表面被覆切削工具の被覆層の断面をSEMにより観察したところ被覆層全体の厚み(総合計厚み)は7.2μmであることが確認された。
Except for the above, a coating layer composed of alternating layers of A and B layers was formed in the same manner as in Example 1, and a surface-coated cutting tool (blade-replaceable cutting tip) of Example 9 was produced. And after formation of a coating layer, the gas in the cathode arc
(実施例10)
図3に示すカソードアークイオンプレーディング装置30の回転式基材ホルダ4に基材5をセットするとともに、A層用カソード6にAl0.65Cr0.35ターゲットをセットし、B層用カソード7にAl0.7V0.3ターゲットをセットした。
(Example 10)
A
そして、基材上にまず0.006μmの厚みのAl0.65Cr0.35N層からなるA層を形成し、次に0.006μmの厚みのAl0.7V0.3N層からなるB層を形成し、その後、A層とB層とをこの順序で1層ずつ交互に積層した(すなわち、最下層はAl0.65Cr0.35N層からなるA層となる)。なお、A層およびB層のそれぞれの厚みについては基材5の回転速度の増減により調整した。
Then, an A layer composed of an Al 0.65 Cr 0.35 N layer having a thickness of 0.006 μm is formed on the substrate, and then a B layer composed of an Al 0.7 V 0.3 N layer having a thickness of 0.006 μm is formed. The A layer and the B layer were alternately laminated one by one in this order (that is, the lowermost layer is an A layer composed of an Al 0.65 Cr 0.35 N layer). In addition, about each thickness of A layer and B layer, it adjusted by increase / decrease in the rotational speed of the
そして、A層の積層数およびB層の積層数がそれぞれ1500層になったところで(A層の合計厚み:9.0μm、B層の合計厚み:9.0μm)、A層用カソード6およびB層用カソード7に供給する電流をストップした。
Then, when the number of layers A and B is 1500 (total thickness of layer A: 9.0 μm, total thickness of layer B: 9.0 μm), the
上記以外は実施例1と同様にして、A層とB層との交互層からなる被覆層を形成し、実施例10の表面被覆切削工具(刃先交換型切削チップ)を作製した。そして、被覆層の形成後は、カソードアークイオンプレーティング装置30内のガスを排気した。実施例10の表面被覆切削工具の被覆層の断面をSEMにより観察したところ被覆層全体の厚み(総合計厚み)は18.0μmであることが確認された。
Except for the above, a coating layer composed of alternating layers of A and B layers was formed in the same manner as in Example 1, and the surface-coated cutting tool (blade-replaceable cutting tip) of Example 10 was produced. And after formation of a coating layer, the gas in the cathode arc
(実施例11)
図3に示すカソードアークイオンプレーディング装置30の回転式基材ホルダ4に基材5をセットするとともに、A層用カソード6にAl0.7Cr0.3ターゲットをセットし、B層用カソード7にAl0.7V0.3ターゲットをセットした。
(Example 11)
With
そして、基材上にまず0.006μmの厚みのAl0.7V0.3N層からなるB層を形成し、次に0.006μmの厚みのAl0.7Cr0.3N層からなるA層を形成し、その後、B層とA層とをこの順序で1層ずつ交互に積層した(すなわち、最下層はAl0.7V0.3N層からなるB層となる)。なお、A層およびB層のそれぞれの厚みについては基材5の回転速度の増減により調整した。
Then, a B layer made of an Al 0.7 V 0.3 N layer having a thickness of 0.006 μm is first formed on the substrate, and then an A layer made of an Al 0.7 Cr 0.3 N layer having a thickness of 0.006 μm is formed. The B layer and the A layer were alternately stacked one by one in this order (that is, the lowermost layer is a B layer made of an Al 0.7 V 0.3 N layer). In addition, about each thickness of A layer and B layer, it adjusted by increase / decrease in the rotational speed of the
そして、A層の積層数およびB層の積層数がそれぞれ350層になったところで(A層の合計厚み:2.1μm、B層の合計厚み:2.1μm)、A層用カソード6およびB層用カソード7に供給する電流をストップした。
When the number of laminated layers A and B is 350 (total thickness of layer A: 2.1 μm, total thickness of layer B: 2.1 μm),
上記以外は実施例1と同様にして、A層とB層との交互層からなる被覆層を形成し、実施例11の表面被覆切削工具(刃先交換型切削チップ)を作製した。そして、被覆層の形成後は、カソードアークイオンプレーティング装置30内のガスを排気した。実施例11の表面被覆切削工具の被覆層の断面をSEMにより観察したところ被覆層全体の厚み(総合計厚み)は4.2μmであることが確認された。
Except for the above, a coating layer composed of alternating layers of A and B layers was formed in the same manner as in Example 1, and a surface-coated cutting tool (blade-replaceable cutting tip) of Example 11 was produced. And after formation of a coating layer, the gas in the cathode arc
(実施例12)
図3に示すカソードアークイオンプレーディング装置30の回転式基材ホルダ4に基材5をセットするとともに、A層用カソード6にAl0.7Cr0.3ターゲットをセットし、B層用カソード7にAl0.7V0.3ターゲットをセットした。
(Example 12)
With
そして、基材上にまず0.006μmの厚みのAl0.7V0.3N層からなるB層を形成し、次に0.006μmの厚みのAl0.7Cr0.3N層からなるA層を形成し、その後、B層とA層とをこの順序で1層ずつ交互に積層した(すなわち、最下層はAl0.7V0.3N層からなるB層となる)。なお、A層およびB層のそれぞれの厚みについては基材5の回転速度の増減により調整した。
Then, a B layer made of an Al 0.7 V 0.3 N layer having a thickness of 0.006 μm is first formed on the substrate, and then an A layer made of an Al 0.7 Cr 0.3 N layer having a thickness of 0.006 μm is formed. The B layer and the A layer were alternately stacked one by one in this order (that is, the lowermost layer is a B layer made of an Al 0.7 V 0.3 N layer). In addition, about each thickness of A layer and B layer, it adjusted by increase / decrease in the rotational speed of the
そして、A層の積層数およびB層の積層数がそれぞれ350層になったところで(A層の合計厚み:2.1μm、B層の合計厚み:2.1μm)、A層用カソード6およびB層用カソード7に供給する電流を一旦ストップした。
When the number of laminated layers A and B is 350 (total thickness of layer A: 2.1 μm, total thickness of layer B: 2.1 μm),
その後、カソードアークイオンプレーティング装置30内のガスを一旦排気した後に、チャンバ1内に反応ガスとして窒素とメタンとの混合ガスを導入しながら、基材5の温度を400℃、反応ガス圧を2.0Pa、バイアス電源20の電圧を−350Vに維持したまま、B層用カソード7に100Aのアーク電流を供給することにより、B層用カソード7から金属イオンを発生させて、0.5μmの厚みのAl0.7V0.3C0.4N0.6層からなる最上層を形成した。そして、最上層の形成後にバイアス電源20に供給する電流をストップした。
Thereafter, after the gas in the cathode arc
上記以外は実施例1と同様にして、A層とB層との交互層と上記の最上層とからなる被覆層を形成し、実施例12の表面被覆切削工具(刃先交換型切削チップ)を作製した。実施例12の表面被覆切削工具の被覆層の断面をSEMにより観察したところ被覆層全体の厚み(総合計厚み)は4.7μmであることが確認された。 Except for the above, in the same manner as in Example 1, a coating layer composed of alternating layers of A and B layers and the uppermost layer was formed, and the surface-coated cutting tool (blade-replaceable cutting tip) of Example 12 was formed. Produced. When the cross section of the coating layer of the surface-coated cutting tool of Example 12 was observed by SEM, it was confirmed that the total thickness (total thickness) of the coating layer was 4.7 μm.
(実施例13)
図3に示すカソードアークイオンプレーディング装置30の回転式基材ホルダ4に基材5をセットするとともに、A層用カソード6にAl0.65Cr0.3Si0.05ターゲットをセットし、B層用カソード7にAl0.65V0.3Si0.05ターゲットをセットした。
(Example 13)
A
そして、基材上にまず0.006μmの厚みのAl0.65Cr0.3Si0.05N層からなるA層を形成し、次に0.006μmの厚みのAl0.65V0.3Si0.05N層からなるB層を形成し、その後、A層とB層とをこの順序で1層ずつ交互に積層した(すなわち、最下層はAl0.65Cr0.3Si0.05N層からなるA層となる)。なお、A層およびB層のそれぞれの厚みについては基材5の回転速度の増減により調整した。
Then, an A layer made of an Al 0.65 Cr 0.3 Si 0.05 N layer having a thickness of 0.006 μm is first formed on the substrate, and then a B layer made of an Al 0.65 V 0.3 Si 0.05 N layer having a thickness of 0.006 μm. After that, the A layer and the B layer were alternately stacked one by one in this order (that is, the lowermost layer is an A layer made of an Al 0.65 Cr 0.3 Si 0.05 N layer). In addition, about each thickness of A layer and B layer, it adjusted by increase / decrease in the rotational speed of the
そして、A層の積層数およびB層の積層数がそれぞれ300層になったところで(A層の合計厚み:1.8μm、B層の合計厚み:1.8μm)、A層用カソード6およびB層用カソード7に供給する電流をストップした。
When the number of layers A and B is 300 (total thickness of layer A: 1.8 μm, total thickness of layer B: 1.8 μm),
上記以外は実施例1と同様にして、A層とB層との交互層からなる被覆層を形成し、実施例13の表面被覆切削工具(刃先交換型切削チップ)を作製した。そして、被覆層の形成後は、カソードアークイオンプレーティング装置30内のガスを排気した。実施例13の表面被覆切削工具の被覆層の断面をSEMにより観察したところ被覆層全体の厚み(総合計厚み)は3.6μmであることが確認された。
Except for the above, a coating layer composed of alternating layers of A and B layers was formed in the same manner as in Example 1, and a surface-coated cutting tool (blade-replaceable cutting tip) of Example 13 was produced. And after formation of a coating layer, the gas in the cathode arc
(実施例14)
図3に示すカソードアークイオンプレーディング装置30の回転式基材ホルダ4に基材5をセットするとともに、A層用カソード6にAl0.65Cr0.3B0.05ターゲットをセットし、B層用カソード7にAl0.65V0.3B0.05ターゲットをセットした。
(Example 14)
A
そして、基材上にまず0.006μmの厚みのAl0.65Cr0.3B0.05N層からなるA層を形成し、次に0.006μmの厚みのAl0.65V0.3B0.05N層からなるB層を形成し、その後、A層とB層とをこの順序で1層ずつ交互に積層した(すなわち、最下層はAl0.65Cr0.3B0.05N層からなるA層となる)。なお、A層およびB層のそれぞれの厚みについては基材5の回転速度の増減により調整した。
Then, an A layer composed of an Al 0.65 Cr 0.3 B 0.05 N layer having a thickness of 0.006 μm is first formed on the substrate, and then a B layer composed of an Al 0.65 V 0.3 B 0.05 N layer having a thickness of 0.006 μm is formed. After that, the A layer and the B layer were alternately laminated one by one in this order (that is, the lowermost layer is an A layer composed of an Al 0.65 Cr 0.3 B 0.05 N layer). In addition, about each thickness of A layer and B layer, it adjusted by increase / decrease in the rotational speed of the
そして、A層の積層数およびB層の積層数がそれぞれ300層になったところで(A層の合計厚み:1.8μm、B層の合計厚み:1.8μm)、A層用カソード6およびB層用カソード7に供給する電流を一旦ストップした。
When the number of layers A and B is 300 (total thickness of layer A: 1.8 μm, total thickness of layer B: 1.8 μm),
その後、カソードアークイオンプレーティング装置30内のガスを一旦排気した後に、チャンバ1内に反応ガスとして窒素とメタンとの混合ガスを導入しながら、基材5の温度を400℃、反応ガス圧を2.0Pa、バイアス電源20の電圧を−350Vに維持したまま、B層用カソード7に100Aのアーク電流を供給することにより、B層用カソード7から金属イオンを発生させて、0.5μmの厚みのAl0.65V0.3B0.05C0.4N0.6層からなる最上層を形成した。そして、最上層の形成後にバイアス電源20に供給する電流をストップした。
Thereafter, after the gas in the cathode arc
上記以外は実施例1と同様にして、A層とB層との交互層と上記の最上層とからなる被覆層を形成し、実施例14の表面被覆切削工具(刃先交換型切削チップ)を作製した。実施例14の表面被覆切削工具の被覆層の断面をSEMにより観察したところ被覆層全体の厚み(総合計厚み)は4.1μmであることが確認された。 Except for the above, in the same manner as in Example 1, a coating layer composed of alternating layers of A layers and B layers and the uppermost layer was formed, and the surface-coated cutting tool (blade-replaceable cutting tip) of Example 14 was formed. Produced. When the cross section of the coating layer of the surface-coated cutting tool of Example 14 was observed by SEM, it was confirmed that the total thickness (total thickness) of the coating layer was 4.1 μm.
(実施例15)
図3に示すカソードアークイオンプレーディング装置30の回転式基材ホルダ4に基材5をセットするとともに、A層用カソード6にAl0.7Cr0.3ターゲットをセットし、B層用カソード7にAl0.7V0.3ターゲットをセットした。
(Example 15)
With
そして、基材上にまず0.006μmの厚みのAl0.7Cr0.3N0.9層からなるA層を形成し、次に0.006μmの厚みのAl0.7V0.3N0.9層からなるB層を形成し、その後、A層とB層とをこの順序で1層ずつ交互に積層した(すなわち、最下層はAl0.7Cr0.3N0.9層からなるA層となる)。なお、A層およびB層のそれぞれの厚みについては基材5の回転速度の増減により調整した。
Then, an A layer made of an Al 0.7 Cr 0.3 N 0.9 layer having a thickness of 0.006 μm is first formed on the substrate, and then a B layer made of an Al 0.7 V 0.3 N 0.9 layer having a thickness of 0.006 μm is formed. Thereafter, the A layer and the B layer were alternately laminated one by one in this order (that is, the lowermost layer is an A layer composed of an Al 0.7 Cr 0.3 N 0.9 layer). In addition, about each thickness of A layer and B layer, it adjusted by increase / decrease in the rotational speed of the
そして、A層の積層数およびB層の積層数がそれぞれ300層になったところで(A層の合計厚み:1.8μm、B層の合計厚み:1.8μm)、A層用カソード6およびB層用カソード7に供給する電流をストップした。
When the number of layers A and B is 300 (total thickness of layer A: 1.8 μm, total thickness of layer B: 1.8 μm),
上記以外は実施例1と同様にして、A層とB層との交互層からなる被覆層を形成し、実施例15の表面被覆切削工具(刃先交換型切削チップ)を作製した。そして、被覆層の形成後は、カソードアークイオンプレーティング装置30内のガスを排気した。実施例15の表面被覆切削工具の被覆層の断面をSEMにより観察したところ被覆層全体の厚み(総合計厚み)は3.6μmであることが確認された。
Except for the above, a coating layer composed of alternating layers of A and B layers was formed in the same manner as in Example 1, and a surface-coated cutting tool (blade-replaceable cutting tip) of Example 15 was produced. And after formation of a coating layer, the gas in the cathode arc
(実施例16)
図3に示すカソードアークイオンプレーディング装置30の回転式基材ホルダ4に基材5をセットするとともに、A層用カソード6にAl0.7Cr0.3ターゲットをセットし、B層用カソード7にAl0.7V0.3ターゲットをセットした。
(Example 16)
With
そして、基材上にまず0.006μmの厚みのAl0.7Cr0.3N1.1層からなるA層を形成し、次に0.006μmの厚みのAl0.7V0.3N1.1層からなるB層を形成し、その後、A層とB層とをこの順序で1層ずつ交互に積層した(すなわち、最下層はAl0.7Cr0.3N1.1層からなるA層となる)。なお、A層およびB層のそれぞれの厚みについては基材5の回転速度の増減により調整した。
Then, an A layer made of an Al 0.7 Cr 0.3 N 1.1 layer having a thickness of 0.006 μm is first formed on the substrate, and then a B layer made of an Al 0.7 V 0.3 N 1.1 layer having a thickness of 0.006 μm is formed. Thereafter, the A layer and the B layer were alternately laminated one by one in this order (that is, the lowermost layer is an A layer composed of an Al 0.7 Cr 0.3 N 1.1 layer). In addition, about each thickness of A layer and B layer, it adjusted by increase / decrease in the rotational speed of the
そして、A層の積層数およびB層の積層数がそれぞれ300層になったところで(A層の合計厚み:1.8μm、B層の合計厚み:1.8μm)、A層用カソード6およびB層用カソード7に供給する電流をストップした。
When the number of layers A and B is 300 (total thickness of layer A: 1.8 μm, total thickness of layer B: 1.8 μm),
上記以外は実施例1と同様にして、A層とB層との交互層からなる被覆層を形成し、実施例16の表面被覆切削工具(刃先交換型切削チップ)を作製した。そして、被覆層の形成後は、カソードアークイオンプレーティング装置30内のガスを排気した。実施例16の表面被覆切削工具の被覆層の断面をSEMにより観察したところ被覆層全体の厚み(総合計厚み)は3.6μmであることが確認された。
Except for the above, a coating layer composed of alternating layers of A and B layers was formed in the same manner as in Example 1, and a surface-coated cutting tool (blade-replaceable cutting tip) of Example 16 was produced. And after formation of a coating layer, the gas in the cathode arc
(比較例1〜4)
比較として、実施例1〜16のそれぞれと同一の基材上に表1に示す組成の被覆層が形成された比較例1〜4の表面被覆切削工具を作製した。なお、比較例1〜3の表面被覆切削工具においては、実施例1〜16の表面被覆切削工具のように交互層が形成されていないが、表1においては、比較例1〜3の表面被覆切削工具の被覆層(単一層)の組成は、便宜上、交互層のA層の欄に記載している。
(Comparative Examples 1-4)
For comparison, surface-coated cutting tools of Comparative Examples 1 to 4 in which a coating layer having the composition shown in Table 1 was formed on the same substrate as that of each of Examples 1 to 16 were produced. In the surface-coated cutting tools of Comparative Examples 1 to 3, the alternating layers are not formed as in the surface-coated cutting tools of Examples 1 to 16, but in Table 1, the surface coating of Comparative Examples 1 to 3 is used. The composition of the coating layer (single layer) of the cutting tool is described in the column of alternating layers A for convenience.
ここで、表1における「1層厚み」とは交互層を構成するA層およびB層のそれぞれの1層当たりの厚みのことを意味する。表1におけるA層およびB層の1層厚みの値および最上層の厚みの値はそれぞれSEMまたはTEMを用いて測定した値である。 Here, “one layer thickness” in Table 1 means the thickness of each of the A and B layers constituting the alternating layers. The values of the one layer thickness and the top layer thickness of the A layer and the B layer in Table 1 are values measured using SEM or TEM, respectively.
また、表1における「積層数」とは、A層およびB層が1層ずつ交互に積層されている交互層中におけるA層およびB層のそれぞれの総層数のことを意味する。 Further, the “number of stacked layers” in Table 1 means the total number of layers of the A layer and the B layer in the alternating layers in which the A layer and the B layer are alternately stacked one by one.
また、表1におけるA層、B層および最上層の組成はそれぞれXPS(X線光電子分光分析装置)を用いて測定されたものである。 Further, the compositions of the A layer, the B layer, and the uppermost layer in Table 1 were measured using XPS (X-ray photoelectron spectroscopy analyzer).
なお、表1における交互層を構成するA層およびB層の各層の組成において、たとえば実施例1のB層「Al0.7V0.3N」はAlとVとを含む窒化物のことを意味し、B層を構成する金属原子(すなわちAlとV)の総数を1としたときのAlの原子数の比が0.7であることを示し、Vの原子数の比が0.3であることを示し、上記の金属原子の総数を1としたときのNの原子数の比が1であることを示す。 In the composition of each of the A and B layers constituting the alternating layers in Table 1, for example, the B layer “Al 0.7 V 0.3 N” in Example 1 means a nitride containing Al and V, When the total number of metal atoms (ie, Al and V) constituting the B layer is 1, the ratio of the number of Al atoms is 0.7, and the ratio of the number of V atoms is 0.3 And the ratio of the number of N atoms when the total number of metal atoms is 1 is 1.
また、表1における最上層の組成において、たとえば実施例12の最上層「Al0.7V0.3C0.4N0.6」はAlとVとを含む炭窒化物のことを意味し、最上層を構成する金属原子(すなわちAlとV)の総数を1としたときのAlの原子数の比が0.7であることを示し、Vの原子数の比が0.3であることを示し、金属原子の総数を1としたときCとNの原子数の総数は1であり、CとNとの総数を1としたときのCの原子数の比が0.4であり、Nの原子数の比が0.6であることを示す。なお、組成に関する表記は、特に断りのない限り他の実施例および比較例においても同内容を示すものとする。 In the composition of the uppermost layer in Table 1, for example, the uppermost layer “Al 0.7 V 0.3 C 0.4 N 0.6 ” in Example 12 means a carbonitride containing Al and V, and the metal constituting the uppermost layer. When the total number of atoms (ie, Al and V) is 1, the ratio of the number of Al atoms is 0.7; the ratio of the number of V atoms is 0.3; When the total number is 1, the total number of atoms of C and N is 1, and when the total number of C and N is 1, the ratio of the number of C atoms is 0.4, and the ratio of the number of N atoms Is 0.6. In addition, the description regarding a composition shall show the same content also in another Example and a comparative example unless there is particular notice.
ここで、表2における被覆層の硬度(GPa)の値は、ナノインデンター(MTS社製Nano Indenter XP)により確認された値である。また、表2における被覆層の圧縮残留応力(−GPa)の値は、X線残留応力測定装置を用いてsin2ψ法(「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54〜67頁参照)により測定された値である。また、表2における被覆層全体の結晶構造はX線回折装置により解析されたものである。なお、これらの表記および測定方法は、特に断りがない限り同一とする。 Here, the value of the hardness (GPa) of the coating layer in Table 2 is a value confirmed by a nanoindenter (Nano Indenter XP manufactured by MTS). Moreover, the compressive residual stress (-GPa) value of the coating layer in Table 2 was determined using the sin 2 ψ method (“X-ray stress measurement method” (Japan Society of Materials Science, 1981 (Refer to pages 54 to 67) issued by Kendo). Further, the crystal structure of the entire coating layer in Table 2 was analyzed by an X-ray diffractometer. These notations and measurement methods are the same unless otherwise specified.
<表面被覆切削工具の寿命評価>
上記の工程で作製した実施例1〜16および比較例1〜4の表面被覆切削工具のそれぞれについて、実際に表3に示す条件で乾式の正面フライス切削試験(断続切削試験)、および穴が多数あいたブロックによる強断続加工切削試験(強断続切削試験)を行ない、バリや加工面が白濁して製品規格から外れるまでの時間、または刃先が欠損するまでの時間(min)を測定した。これらの断続切削試験および強断続切削試験の工具寿命の評価結果を表4に示す。なお、表4において、断続切削試験および強断続切削試験の切削時間(min)の値が大きい方が表面被覆切削工具の工具寿命が長いことを示している。
<Life evaluation of surface-coated cutting tools>
For each of the surface-coated cutting tools of Examples 1 to 16 and Comparative Examples 1 to 4 produced in the above steps, a dry face milling test (intermittent cutting test) and many holes were actually performed under the conditions shown in Table 3. A strong interrupted cutting test (strong interrupted cutting test) was performed with a punched block, and the time until the burr and the machined surface became cloudy and deviated from the product standard or the time until the cutting edge was broken (min) was measured. Table 4 shows the evaluation results of the tool life of these intermittent cutting tests and the strong intermittent cutting test. In Table 4, the larger the cutting time (min) value in the intermittent cutting test and the strong intermittent cutting test, the longer the tool life of the surface-coated cutting tool.
表4より明らかなように、実施例1〜16の表面被覆切削工具のように、被覆層がA層とB層とが交互にそれぞれ1層以上積層された交互層を含み、A層はAlとCrとを含む窒化物からなり、A層を構成する金属原子の総数を1としたときのCrの原子数の比が0.05よりも大きく0.4以下であり、B層はAlとVとを含む窒化物からなり、B層を構成する金属原子の総数を1としたときのVの原子数の比が0.05以上0.4以下を満たす場合には、比較例1〜4の表面被覆切削工具と比べて、断続切削試験および強断続切削試験における表面被覆切削工具(刃先交換型切削チップ)の工具寿命が大幅に長くなることが確認された。 As apparent from Table 4, like the surface-coated cutting tools of Examples 1 to 16, the coating layer includes alternating layers in which one or more of the A layers and the B layers are alternately laminated, and the A layer is made of Al. And the ratio of the number of Cr atoms when the total number of metal atoms constituting the A layer is 1, and the B layer is made of Al When the ratio of the number of V atoms is 0.05 or more and 0.4 or less when the total number of metal atoms constituting the B layer is 1 and is made of a nitride containing V, Comparative Examples 1 to 4 It was confirmed that the tool life of the surface-coated cutting tool (blade-replaceable cutting tip) in the intermittent cutting test and the strong intermittent cutting test was significantly longer than that of the surface-coated cutting tool.
すなわち、本発明の実施例1〜16の表面被覆切削工具は、高温での安定性に優れるとともに、刃先のチッピングを抑制し、表面被覆切削工具の工具寿命を長期化することに成功したものと考えられる。 That is, the surface-coated cutting tools of Examples 1 to 16 of the present invention were excellent in stability at high temperatures, suppressed chipping of the blade edge, and succeeded in prolonging the tool life of the surface-coated cutting tool. Conceivable.
<表面被覆切削工具の作製>
以下のようにして、実施例17〜22のそれぞれの表面被覆切削工具を作製し、実施例11および実施例17〜22ならびに比較例4のそれぞれ表面被覆切削工具の工具寿命を評価した。
<Production of surface-coated cutting tool>
The surface-coated cutting tools of Examples 17 to 22 were produced as follows, and the tool life of each of the surface-coated cutting tools of Example 11, Examples 17 to 22, and Comparative Example 4 was evaluated.
(実施例17)
まず、実施例11と同様にして、0.006μm厚みのAl0.7Cr0.3N層からなるA層と0.006μm厚みのAl0.7V0.3N層からなるB層とを1層ずつ交互にそれぞれ350層ずつ積層してなる交互層を形成した。
(Example 17)
First, in the same manner as in Example 11, a layer A made of an Al 0.7 Cr 0.3 N layer having a thickness of 0.006 μm and a layer B made of an Al 0.7 V 0.3 N layer having a thickness of 0.006 μm were alternately formed 350 each. Alternating layers formed by layering were formed.
次に、チャンバ1内に反応ガスとして酸素とアルゴンガスとを導入しながら、基材5の温度を700℃に設定し、反応ガス圧を2.0Paにした上で、バイアス電源20の電圧を−100VのパルスDC(パルス周波数250kHz、ON時間およびOFF時間とも2μsec)を維持したまま、A層用カソード6に100Aのアーク電流を供給することによって、A層用カソード6から金属イオンを発生させて、交互層の最上層となるB層上に1.5μm厚みの(Al0.7Cr0.3)2O3層からなるC層が被覆層の最上層となるように形成して、実施例17の表面被覆切削工具(刃先交換型切削チップ)を作製した。
Next, while introducing oxygen and argon gas as reaction gases into the chamber 1, the temperature of the
そして、被覆層の形成後は、カソードアークイオンプレーティング装置30内のガスを排気した。実施例17の表面被覆切削工具の被覆層の断面をSEMにより観察したところ被覆層全体の厚み(総合計厚み)は5.7μmであることが確認された。
And after formation of a coating layer, the gas in the cathode arc
(実施例18)
チャンバ1内に反応ガスとして酸素とアルゴンガスとを導入しながら、基材5の温度を700℃に設定し、反応ガス圧を2.0Paにした上で、バイアス電源20の電圧を−100VのパルスDC(パルス周波数250kHz、ON時間およびOFF時間とも2μsec)を維持したまま、B層用カソード7に100Aのアーク電流を供給することによって、B層用カソード7から金属イオンを発生させて、交互層の最上層のB層上に1μm厚みの(Al0.7V0.3)2O3層からなるC層を被覆層の最上層として形成したこと以外は実施例17と同様にして、実施例18の表面被覆切削工具(刃先交換型切削チップ)を作製した。そして、被覆層の形成後は、カソードアークイオンプレーティング装置30内のガスを排気した。実施例18の表面被覆切削工具の被覆層の断面をSEMにより観察したところ被覆層全体の厚み(総合計厚み)は5.2μmであることが確認された。
(Example 18)
While introducing oxygen and argon gas as reaction gases into the chamber 1, the temperature of the
(実施例19)
チャンバ1内に反応ガスとして酸素とアルゴンガスとを導入しながら、基材5の温度を700℃に設定し、反応ガス圧を2.0Paにした上で、バイアス電源20の電圧を−100VのパルスDC(パルス周波数250kHz、ON時間およびOFF時間とも2μsec)を維持したまま、A層用カソード6またはB層用カソード7に100Aのアーク電流を供給することによって、A層用カソード6とB層用カソード7とから交互に金属イオンを発生させて、交互層の最上層のB層上に(Al0.7Cr0.3)2O3層と(Al0.7V0.3)2O3層とが交互にそれぞれ多層に形成された1μm厚みの超多層膜からなるC層を被覆層の最上層として形成したこと以外は実施例17と同様にして、実施例19の表面被覆切削工具(刃先交換型切削チップ)を作製した。そして、被覆層の形成後は、カソードアークイオンプレーティング装置30内のガスを排気した。実施例19の表面被覆切削工具の被覆層の断面をSEMにより観察したところ被覆層全体の厚み(総合計厚み)は5.2μmであることが確認された。
(Example 19)
While introducing oxygen and argon gas as reaction gases into the chamber 1, the temperature of the
(実施例20)
まず、実施例17と同様にして、0.006μm厚みのAl0.7Cr0.3N層からなるA層と0.006μm厚みのAl0.7V0.3N層からなるB層とを1層ずつ交互にそれぞれ350層ずつ積層してなる交互層を形成した。
(Example 20)
First, in the same manner as in Example 17, a layer A made of an Al 0.7 Cr 0.3 N layer having a thickness of 0.006 μm and a layer B made of an Al 0.7 V 0.3 N layer having a thickness of 0.006 μm were alternately formed 350 each. Alternating layers formed by layering were formed.
次に、A層用カソード6にAl0.7Cr0.29Y0.01ターゲットをセットし、B層用カソード7にAl0.7V0.29Y0.01ターゲットをセットした。
Next, an Al 0.7 Cr 0.29 Y 0.01 target was set on the
その後、チャンバ1内に反応ガスとして酸素とアルゴンガスとを導入しながら、基材5の温度を700℃に設定し、反応ガス圧を2.0Paにした上で、バイアス電源20の電圧を−100VのパルスDC(パルス周波数250kHz、ON時間およびOFF時間とも2μsec)を維持したまま、A層用カソード6またはB層用カソード7に100Aのアーク電流を供給することによって、A層用カソード6とB層用カソード7とから交互に金属イオンを発生させて、交互層の最上層のB層上に(Al0.7Cr0.29Y0.01)2O3層と(Al0.7V0.29Y0.01)2O3層とが交互にそれぞれ多層に形成された2.5μm厚みの超多層膜からなるC層を被覆層の最上層として形成して、実施例20の表面被覆切削工具(刃先交換型切削チップ)を作製した。そして、被覆層の形成後は、カソードアークイオンプレーティング装置30内のガスを排気した。実施例20の表面被覆切削工具の被覆層の断面をSEMにより観察したところ被覆層全体の厚み(総合計厚み)は6.7μmであることが確認された。
Thereafter, while introducing oxygen and argon gas as reaction gases into the chamber 1, the temperature of the
(実施例21)
図7に示すカソードアークイオンプレーティング−スパッタリング複合装置40を用い、実施例17と同様にして、0.006μm厚みのAl0.7Cr0.3N層からなるA層と0.006μm厚みのAl0.7V0.3N層からなるB層とを1層ずつ交互にそれぞれ350層ずつ積層してなる交互層を形成した。
(Example 21)
Using the cathode arc ion plating-sputtering
次に、スパッタカソード16にAl0.7Cr0.29Y0.01ターゲットをセットした。その後、チャンバ1内に反応ガスとして酸素とアルゴンガスとを導入しながら、基材5の温度を700℃に設定し、反応ガス圧を2.0Paにした上で、バイアス電源20の電圧を−100VのパルスDC(パルス周波数250kHz、ON時間およびOFF時間とも2μsec)を維持したまま、スパッタカソードパルスDC電源(パルス周波数100kHz、ON時間を8μsecとし、OFF時間を2μsecとした。)を介してスパッタカソード16に3kWの電力を供給することによってスパッタカソード16から金属イオンを発生させて、交互層の最上層のB層上に3μm厚みの(Al0.69Cr0.29Y0.02)2O3層からなるC層を被覆層の最上層として形成して、実施例21の表面被覆切削工具(刃先交換型切削チップ)を作製した。
Next, an Al 0.7 Cr 0.29 Y 0.01 target was set on the
そして、被覆層の形成後は、カソードアークイオンプレーティング−スパッタリング複合装置40内のガスを排気した。実施例21の表面被覆切削工具の被覆層の断面をSEMにより観察したところ被覆層全体の厚み(総合計厚み)は7.2μmであることが確認された。
After the coating layer was formed, the gas in the cathode arc ion plating / sputtering
(実施例22)
図7に示すカソードアークイオンプレーティング−スパッタリング複合装置40を用い、実施例17と同様にして、0.006μm厚みのAl0.7Cr0.3N層からなるA層と0.006μm厚みのAl0.7V0.3N層からなるB層とを1層ずつ交互にそれぞれ350層ずつ積層してなる交互層を形成した。
(Example 22)
Using the cathode arc ion plating-sputtering
次に、スパッタカソード16にAl0.69Cr0.2V0.09Y0.02ターゲットをセットした。その後、チャンバ1内に反応ガスとして酸素とアルゴンガスとを導入しながら、基材5の温度を700℃に設定し、反応ガス圧を2.0Paにした上で、バイアス電源20の電圧を−100VのパルスDC(パルス周波数250kHz、ON時間およびOFF時間とも2μsec)を維持したまま、スパッタカソードパルスDC電源(パルス周波数100kHz、ON時間を8μsecとし、OFF時間を2μsecとした。)を介してスパッタカソード16に3kWの電力を供給することによってスパッタカソード16から金属イオンを発生させて、交互層の最上層のB層上に3μm厚みの(Al0.69Cr0.2V0.09Y0.02)2O3層からなるC層を被覆層の最上層として形成して、実施例22の表面被覆切削工具(刃先交換型切削チップ)を作製した。
Next, an Al 0.69 Cr 0.2 V 0.09 Y 0.02 target was set on the
そして、被覆層の形成後は、カソードアークイオンプレーティング−スパッタリング複合装置40内のガスを排気した。実施例22の表面被覆切削工具の被覆層の断面をSEMにより観察したところ被覆層全体の厚み(総合計厚み)は6.7μmであることが確認された。
After the coating layer was formed, the gas in the cathode arc ion plating / sputtering
表5に実施例11および実施例17〜22ならびに比較例4のそれぞれの表面被覆切削工具の被覆層の構成を示し、表6に表面被覆切削工具の被覆層の特性(硬度および圧縮残留応力)および被覆層の最上層であるC層の結晶構造を示す。 Table 5 shows the configuration of the coating layer of each surface-coated cutting tool of Example 11 and Examples 17 to 22 and Comparative Example 4, and Table 6 shows the characteristics (hardness and compressive residual stress) of the coating layer of the surface-coated cutting tool. And the crystal structure of the C layer, which is the uppermost layer of the coating layer.
なお、表6における被覆層の最上層となるC層の結晶構造はX線回折装置により解析されたものである。また、表5および表6に示す上記以外の表記は上記と同様であるため、ここではその説明については省略する。 Note that the crystal structure of the C layer, which is the uppermost layer of the coating layer in Table 6, was analyzed by an X-ray diffractometer. In addition, notations shown in Table 5 and Table 6 other than the above are the same as those described above, and thus the description thereof is omitted here.
<表面被覆切削工具の寿命評価>
実施例11および実施例17〜22ならびに比較例4の表面被覆切削工具のそれぞれについて、実際に表7に示す条件で乾式の正面フライス切削試験(断続切削試験)、穴が多数あいたブロックによる強断続加工切削試験(強断続切削試験)、および連続旋削試験を行ない、バリや加工面が白濁して製品規格から外れるまでの時間、または刃先が欠損するまでの時間(min)を測定した。表7に実施例11および実施例17〜22ならびに比較例4の表面被覆切削工具について断続切削試験、強断続切削試験および連続旋削試験を行なったときのそれぞれの切削条件(被削材、切削速度vc、送りfzおよび切り込みap)を示す。また、表8に実施例11および実施例17〜22ならびに比較例4の表面被覆切削工具について断続切削試験、強断続切削試験および連続旋削試験を行なったときのそれぞれの工具寿命の評価結果を示す。なお、表8において、断続切削試験、強断続切削試験および連続旋削試験の切削時間(min)の値が大きい方が表面被覆切削工具の工具寿命が長いことを示している。
<Life evaluation of surface-coated cutting tools>
Each of the surface-coated cutting tools of Example 11 and Examples 17 to 22 and Comparative Example 4 was actually subjected to a dry face milling test (intermittent cutting test) under the conditions shown in Table 7, and a strong interrupt by a block having many holes. A machining cutting test (strong interrupted cutting test) and a continuous turning test were performed, and the time until the burrs and the machined surface became cloudy and deviated from the product specification, or the time until the cutting edge was broken (min) was measured. Table 7 shows the cutting conditions (work material, cutting speed) of the surface-coated cutting tools of Example 11 and Examples 17 to 22 and Comparative Example 4 when the intermittent cutting test, the strong intermittent cutting test, and the continuous turning test were performed. vc, feed fz and notch ap). Table 8 shows the evaluation results of the tool life when the intermittent cutting test, the strong intermittent cutting test, and the continuous turning test were performed on the surface-coated cutting tools of Example 11, Examples 17 to 22, and Comparative Example 4. . In Table 8, the larger the cutting time (min) value in the intermittent cutting test, the strong intermittent cutting test, and the continuous turning test, the longer the tool life of the surface-coated cutting tool.
表8より明らかなように、実施例11および実施例17〜22の表面被覆切削工具のように、被覆層がA層とB層とが交互にそれぞれ1層以上積層された交互層を含み、A層はAlとCrとを含む窒化物からなり、A層を構成する金属原子の総数を1としたときのCrの原子数の比が0.05よりも大きく0.4以下であり、B層はAlとVとを含む窒化物からなり、B層を構成する金属原子の総数を1としたときのVの原子数の比が0.05以上0.4以下を満たす場合には、比較例4の表面被覆切削工具と比べて、断続切削試験、強断続切削試験および連続旋削試験における表面被覆切削工具(刃先交換型切削チップ)の工具寿命が大幅に長くなることが確認された。 As apparent from Table 8, like the surface-coated cutting tools of Example 11 and Examples 17 to 22, the coating layer includes alternating layers in which one or more of the A layers and the B layers are alternately laminated, The A layer is made of a nitride containing Al and Cr, and the ratio of the number of Cr atoms when the total number of metal atoms constituting the A layer is 1 is greater than 0.05 and less than or equal to 0.4. When the layer is made of a nitride containing Al and V, and the ratio of the number of V atoms satisfies 0.05 to 0.4 when the total number of metal atoms constituting the B layer is 1, a comparison is made. Compared with the surface-coated cutting tool of Example 4, it was confirmed that the tool life of the surface-coated cutting tool (blade-tip-exchangeable cutting tip) in the intermittent cutting test, the strong intermittent cutting test, and the continuous turning test was significantly increased.
すなわち、本発明の実施例11および実施例17〜22の表面被覆切削工具は、高温での安定性に優れるとともに、刃先のチッピングを抑制し、表面被覆切削工具の工具寿命を長期化することに成功したものと考えられる。 That is, the surface-coated cutting tools of Example 11 and Examples 17 to 22 of the present invention are excellent in stability at high temperatures, suppress chipping of the blade edge, and prolong the tool life of the surface-coated cutting tool. It is considered successful.
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および各実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。 Although the embodiments and examples of the present invention have been described above, it is also planned from the beginning to appropriately combine the configurations of the above-described embodiments and examples.
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.
本発明の表面被覆切削工具は、たとえば、ドリル、エンドミル、フライス加工用スローアウェイチップ、旋削用スローアウェイチップ、メタルソー、歯切工具、リーマまたはタップなどとして好適に用いることができる。 The surface-coated cutting tool of the present invention can be suitably used, for example, as a drill, end mill, milling throw-away tip, turning throw-away tip, metal saw, gear cutting tool, reamer, or tap.
1 チャンバ、2 ガス導入口、3 ガス排出口、4 回転式基材ホルダ、5 基材、6 A層用カソード、7 B層用カソード、8,9 アーク電源、10 表面被覆切削工具、11 被覆層、12 A層、13 B層、14 交互層、15 C層、16 スパッタカソード、20 バイアス電源、40 カソードアークイオンプレーティング−スパッタリング複合装置。 1 chamber, 2 gas inlet, 3 gas outlet, 4 rotary base holder, 5 base, 6 A layer cathode, 7 B layer cathode, 8, 9 arc power supply, 10 surface coating cutting tool, 11 coating Layer, 12 A layer, 13 B layer, 14 alternating layer, 15 C layer, 16 sputter cathode, 20 bias power source, 40 cathode arc ion plating-sputtering composite apparatus.
Claims (11)
前記基材の表面上に形成された被覆層とを含む表面被覆切削工具であって、
前記被覆層は、A層とB層とが交互にそれぞれ1層以上積層された交互層を含み、
前記A層は、AlとCrとを含み、Vを含まない窒化物からなり、
前記A層を構成する金属原子の総数を1としたときの前記Crの原子数比が0.05よりも大きく0.4以下であり、
前記B層は、AlとVとを含み、Crを含まない窒化物からなり、
前記B層を構成する金属原子の総数を1としたときの前記Vの原子数比が0.05以上0.4以下であることを特徴とする表面被覆切削工具。 A substrate;
A surface-coated cutting tool comprising a coating layer formed on the surface of the substrate,
The coating layer includes alternating layers in which one or more A layers and B layers are alternately laminated,
The A layer is seen containing Al and Cr, a nitride not containing V,
The atomic ratio of Cr when the total number of metal atoms constituting the A layer is 1 is greater than 0.05 and 0.4 or less,
The B layer is seen containing Al and V, a nitride which does not contain Cr,
The surface-coated cutting tool, wherein the atomic ratio of V is 0.05 or more and 0.4 or less when the total number of metal atoms constituting the B layer is 1.
前記中間遷移層の組成が、前記中間遷移層に接する下層の組成から前記中間遷移層に接する上層の組成へと厚み方向に連続的に変化することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の表面被覆切削工具。 In the alternating layers, the A layer and the B layer are stacked with an intermediate transition layer interposed therebetween,
The composition of the intermediate transition layer continuously changes in the thickness direction from the composition of the lower layer in contact with the intermediate transition layer to the composition of the upper layer in contact with the intermediate transition layer. The surface-coated cutting tool according to 1.
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