JP5239062B2 - Surface-coated cutting tool and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、基材とその上に形成された被覆膜とを備える表面被覆切削工具およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a surface-coated cutting tool including a substrate and a coating film formed thereon, and a method for manufacturing the same.
最近の切削工具の動向として、地球環境保全の観点から切削油剤を用いないドライ加工が求められていること、被削材が多様化していること、加工能率を一層向上させるため切削速度がより高速になってきていることなどの理由から、工具刃先温度はますます高温になる傾向にあり、工具材料に要求される特性は厳しくなる一方である。特に工具材料の要求特性として、基材上に形成される被覆膜の高温での安定性(耐酸化特性や被覆膜の密着性)はもちろんのこと、切削工具寿命に関係する耐摩耗性の向上や耐欠損性の向上が一段と重要になっている。 Recent cutting tool trends include the need for dry machining without cutting fluids from the viewpoint of global environmental conservation, the diversification of work materials, and higher cutting speeds to further improve machining efficiency. For example, the tool edge temperature tends to be higher, and the characteristics required for the tool material are becoming stricter. In particular, as a required characteristic of tool materials, the coating film formed on the base material has high temperature stability (oxidation resistance and coating film adhesion) as well as wear resistance related to the cutting tool life. Improvement of crack resistance and fracture resistance is becoming more important.
耐摩耗性および表面保護機能改善のため、WC基超硬合金、サーメット、高速度鋼等の硬質基材からなる切削工具や耐摩耗工具等の表面には、硬質被覆膜としてTiAlの窒化物を単層または複層形成することはよく知られているところである。しかしながら、最近の高速、ドライ加工では、TiAlの窒化物からなる被覆膜では十分な工具寿命が得られないのが現状である。 In order to improve wear resistance and surface protection function, TiAl nitride is used as a hard coating on the surface of cutting tools and wear-resistant tools made of hard base materials such as WC-based cemented carbide, cermet, and high-speed steel. It is well known to form a single layer or multiple layers. However, in recent high-speed and dry processing, a sufficient tool life cannot be obtained with a coating film made of TiAl nitride.
このような状況下、被覆膜の耐熱性を向上し、長い工具寿命を実現する方法として、特許文献1には、TiとAlとの複合窒化物において、さらにSiを添加した被覆膜が提案されている。このようにSiを含む被覆膜は、その表面にSiを含有する緻密な酸化保護膜が形成されることから、TiAlの窒化物からなる被覆膜よりも耐熱性が優れるという利点がある。しかし、その一方で特許文献1に開示される被覆膜は、その硬度および靭性の性能が十分ではないという問題があった。 Under such circumstances, as a method for improving the heat resistance of the coating film and realizing a long tool life, Patent Document 1 discloses a coating film in which Si is further added to a composite nitride of Ti and Al. Proposed. Thus, the coating film containing Si has an advantage that the heat resistance is superior to the coating film made of a nitride of TiAl because a dense oxidation protective film containing Si is formed on the surface thereof. On the other hand, however, the coating film disclosed in Patent Document 1 has a problem that its performance of hardness and toughness is not sufficient.
このような問題を解決する試みとして、特許文献2および特許文献3には、Tiの窒化物、炭窒化物、窒酸化物、または炭窒酸化物にSiを適量含有した層と、TiおよびAlを主成分とする窒化物、炭窒化物、窒酸化物、または炭窒酸化物からなる層とを交互に積層した被覆膜が開示されている。また、特許文献4には、AlTiSiNからなる層と、TiSiNからなる層とを交互に積層した被覆膜が開示されている。 As an attempt to solve such a problem, Patent Document 2 and Patent Document 3 include Ti nitride, carbonitride, nitrogen oxide, or a layer containing an appropriate amount of Si in carbon nitride oxide, and Ti and Al. There is disclosed a coating film in which nitrides, carbonitrides, nitride oxides, or layers composed of carbonitride oxides are alternately laminated. Patent Document 4 discloses a coating film in which layers made of AlTiSiN and layers made of TiSiN are alternately stacked.
しかしながら、上記特許文献2および特許文献3に開示されているTiSi系の被覆膜は、圧縮残留応力が極端に高いことにより、被覆膜自体が自己破壊しやすいため、基材または下層との密着性が十分ではないという問題があった。また、上記の特許文献4で開示されている被覆膜は、耐熱性、硬度、および靭性に優れる一方、かかる被覆膜で被覆した切削工具を用いて切削加工を行なうと、積層構造中の層間で剥離する傾向があり、十分な工具寿命が得られないという問題があった。 However, since the TiSi-based coating film disclosed in Patent Document 2 and Patent Document 3 has an extremely high compressive residual stress, the coating film itself is easily self-destructed. There was a problem that the adhesion was not sufficient. Further, the coating film disclosed in Patent Document 4 is excellent in heat resistance, hardness, and toughness. On the other hand, when cutting is performed using a cutting tool coated with such a coating film, There was a tendency to peel between layers, and there was a problem that sufficient tool life could not be obtained.
このように被覆膜にSiを含有せしめることによって、被覆膜に耐熱性を付与する試みはなされていたが、Siの添加は被覆膜の圧縮応力を高くすることになるため、被覆膜が自己破壊したり、基材との応力差が大きくなって被覆膜の基材との密着性が低下したりするという問題があった。かかる問題を解消するための試みとして、特許文献2および3に示されるように、Siを含む層とSiを含まない層との積層構造としたり、特許文献4に示されるように、敢えて圧縮応力が低くなる成膜条件で被覆膜を成膜したりして、被覆膜に圧縮応力を付与させずにSiを添加する試みを行なわれていたが、特許文献2〜4のいずれの方法も、Siの添加による高硬度化を損なうものであり、結果として十分な工具性能を得ることができていなかった。 In this way, attempts have been made to impart heat resistance to the coating film by including Si in the coating film, but the addition of Si increases the compressive stress of the coating film. There has been a problem that the film is self-destructed or the stress difference with the base material becomes large and the adhesion of the coating film to the base material is lowered. As an attempt to solve such a problem, as shown in Patent Documents 2 and 3, a layered structure of a layer containing Si and a layer not containing Si is used, or as shown in Patent Document 4, a compressive stress is deliberately used. Attempts have been made to add Si without applying a compressive stress to the coating film by forming a coating film under film-forming conditions that reduce the thickness of the coating film. However, the increase in hardness due to the addition of Si is impaired, and as a result, sufficient tool performance has not been obtained.
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、耐熱性、硬度、および応力バランスに優れるというAlTiSiMNの特性と耐摩耗性と靭性に優れるというTiAlSiMeNの特性とを兼備し、さらに刃先稜線部における刃先の形状を特異なものとすることにより、耐摩耗性、耐欠損性、および密着性を兼ね備えた被覆膜を表面に有する表面被覆切削工具を提供することにある。なお、MおよびMeは、それぞれ独立してV、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、およびWからなる群より選ばれる1種以上の元素を示す。 The present invention has been made in view of the current situation as described above, and the purpose of the present invention is to make the characteristics of AlTiSiMN excellent in heat resistance, hardness, and stress balance, and in TiAlSiMeN excellent in wear resistance and toughness. Provides a surface-coated cutting tool that has a coating film on the surface that combines wear resistance, chipping resistance, and adhesion by combining the properties and making the shape of the blade edge unique at the edge of the blade edge There is to do. M and Me each independently represent one or more elements selected from the group consisting of V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W.
本発明者らは、上記のような課題を解決するために、被覆膜の構成について種々の検討を重ねたところ、特許文献4に開示される被覆膜が層間で剥離しやすいのは、積層構造を構成する各層のSi量がマッチングしていなかったことによるものであるという知見を得た。かかる知見に基づいて、AlTiSiNからなる層と、TiAlSiNからなる層の組成についてさらに鋭意検討を重ねるとともに、刃先稜線部における被覆膜の構造を検討し、ついに本発明を完成させたものである。 In order to solve the above problems, the present inventors have made various studies on the configuration of the coating film, and the coating film disclosed in Patent Document 4 is easily peeled between layers. It was found that the Si amount of each layer constituting the laminated structure was not matched. Based on this knowledge, the inventors of the present invention have finally completed the present invention by further studying the composition of the layer made of AlTiSiN and the layer made of TiAlSiN and studying the structure of the coating film at the edge line of the blade edge.
すなわち、本発明の表面被覆切削工具は、基材とその上に形成された被覆膜とを備えるものであって、該被覆膜は、AlaTibSicMdN(ただし式中、0.35≦a≦0.7、0<c≦0.3、0≦d≦0.3、a+b+c+d=1)からなるA層と、TieAlfSigMehN(ただし式中、0≦f≦0.4、0<g≦0.3、0≦h≦0.3、e+f+g+h=1)からなるB層とが交互に各2層以上積層された積層体を含み、式中MおよびMeは、それぞれ独立してV、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、およびWからなる群より選ばれる1種以上の元素を示し、A層およびB層はそれぞれ、20nm以下の層厚であり、刃先稜線部に形成された被覆膜の表面は、急峻な形状の凸部と、隣接する凸部の間の距離が2μm以上であって、かつその間をなだらかな曲面で結ぶ第1凹部と、隣接する凸部の距離が2μm未満であって、かつその間をなだらかな曲面で結ぶ第2凹部とが不規則に形成された凹凸を有するむしれ面であることを特徴とする。 That is, the surface-coated cutting tool of the present invention is one and a coating film formed thereon with the substrate, the coating film, Al a Ti b Si c M d N ( provided that Shikichu , 0.35 ≦ a ≦ 0.7,0 <c ≦ 0.3,0 ≦ d ≦ 0.3, and A layer consisting of a + b + c + d = 1), Ti e Al f Si g Me h N ( provided that Shikichu , 0 ≦ f ≦ 0.4, 0 <g ≦ 0.3, 0 ≦ h ≦ 0.3, e + f + g + h = 1) and a laminate in which two or more layers are alternately laminated, Medium M and Me each independently represent one or more elements selected from the group consisting of V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W, and each of the A layer and the B layer is 20 nm or less. The surface of the coating film formed on the edge portion of the blade edge has a distance of 2 μm or more between the steep convex portion and the adjacent convex portion. Irregularities formed irregularly between the first concave portion connecting the curved portions with a gentle curved surface and the second concave portion where the distance between adjacent convex portions is less than 2 μm and connecting the curved portions with a gentle curved surface It is a peeling surface having a feature.
上記むしれ面は、第1凹部と第2凹部とが交互に形成された凹凸を有することが好ましい。刃先稜線部に形成された被覆膜は、薄膜領域を有し、該薄膜領域は、刃先稜線部以外に形成された被覆膜の膜厚の70%以下の膜厚であることが好ましい。 It is preferable that the peeling surface has irregularities in which first concave portions and second concave portions are alternately formed. The coating film formed on the cutting edge ridge line portion has a thin film region, and the thin film region is preferably 70% or less of the film thickness of the coating film formed on a portion other than the cutting edge ridge line portion.
薄膜領域は、刃先稜線部に形成された被覆膜の50%以上の面積を占めることが好ましく、より好ましくは被覆膜の80%以上の面積を占めることである。被覆膜は、その基材側から表面側にかけて厚み方向に圧縮応力が増大することが好ましい。 The thin film region preferably occupies an area of 50% or more of the coating film formed on the edge portion of the blade edge, and more preferably occupies an area of 80% or more of the coating film. The coating film preferably increases in compressive stress in the thickness direction from the substrate side to the surface side.
A層を構成するSiの原子比cと、B層を構成するSiの原子比gとの差は、0.05以下であることが好ましい。 The difference between the atomic ratio c of Si constituting the A layer and the atomic ratio g of Si constituting the B layer is preferably 0.05 or less.
上記の表面被覆切削工具の製造方法において、被覆膜は、成膜開始から成膜終了までの基材のバイアス電圧を徐々に変化させることにより基材上に成膜することが好ましく、被覆膜の成膜開始時の基材のバイアス電圧を30V以下とし、バイアス電圧を徐々に変化させて、被覆膜の成膜終了時の基材のバイアス電圧を70V以上とすることが好ましい。 In the above method for manufacturing a surface-coated cutting tool, the coating film is preferably formed on the substrate by gradually changing the bias voltage of the substrate from the start of film formation to the end of film formation. It is preferable that the bias voltage of the substrate at the start of film formation is 30 V or less, and the bias voltage is gradually changed so that the bias voltage of the substrate at the end of film formation is 70 V or more.
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、耐熱性、硬度、および応力バランスに優れるというAlTiSiMNの特性と耐摩耗性および靭性に優れるというTiSiMeNの特性とを兼備し、耐摩耗性、耐欠損性、および密着性を兼ね備えたものである。 The surface-coated cutting tool of the present invention has the characteristics as described above, and has the characteristics of AlTiSiMN, which is excellent in heat resistance, hardness, and stress balance, and the characteristics of TiSiMeN, which is excellent in wear resistance and toughness. It combines wear resistance, fracture resistance, and adhesion.
以下、本発明について、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。なおまた、本発明において、層厚または膜厚は走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)または透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)により測定し、その組成はエネルギー分散型X線分析装置(EDS:Energy Dispersive x-ray Spectroscopy)により測定するものとする。 Hereinafter, the present invention will be described in 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. In the present invention, the layer thickness or film thickness is measured by a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM), and the composition thereof is an energy dispersive X-ray analyzer. It shall be measured by (EDS: Energy Dispersive x-ray Spectroscopy).
<表面被覆切削工具>
本発明の表面被覆切削工具は、基材とその上に形成された被覆膜とを備えたものである。このような基本的構成を有する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、フライス加工用または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。
<Surface coated cutting tool>
The surface-coated cutting tool of the present invention comprises a substrate and a coating film formed thereon. The surface-coated cutting tool of the present invention having such a basic configuration is, for example, a drill, an end mill, a milling or turning cutting edge replaceable cutting tip, a metal saw, a cutting tool, a reamer, a tap, or a crankshaft pin. It can be used very effectively as a chip for milling.
<基材>
本発明の表面被覆切削工具の基材としては、このような切削工具の基材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このような基材の例として挙げることができる。このような基材として超硬合金を使用する場合、そのような超硬合金は、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 base material of the surface-coated cutting tool of the present invention, a conventionally known material known as such a cutting tool base material can be used without particular limitation. For example, cemented carbide (for example, WC base cemented carbide, including WC, including Co, or further including carbonitride such as Ti, Ta, Nb, etc.), cermet (TiC, TiN, TiCN, etc.) High-speed steel, ceramics (titanium carbide, silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride, aluminum oxide, and mixtures thereof), cubic boron nitride sintered body, diamond sintered body Etc. can be mentioned as examples of such a substrate. When a cemented carbide is used as such a base material, the effect of the present invention is exhibited even if such a cemented carbide contains an abnormal phase called free carbon or η phase in the structure.
なお、これらの基材は、その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、超硬合金の場合はその表面に脱β層が形成されていたり、サーメットの場合には表面硬化層が形成されていてもよく、このように表面が改質されていても本発明の効果は示される。 In addition, these base materials may have a modified surface. For example, in the case of cemented carbide, a de-β layer may be formed on the surface, and in the case of cermet, a surface hardened layer may be formed, and even if the surface is modified in this way, The effect is shown.
<被覆膜>
本発明の被覆膜は、AlaTibSicMdN(ただし式中、0.35≦a≦0.7、0<c≦0.3、0≦d≦0.3、a+b+c+d=1)からなるA層と、TieAlfSigMehN(ただし式中、0≦f≦0.4、0<g≦0.3、0≦h≦0.3、e+f+g+h=1)からなるB層とが交互に各2層以上積層された積層体を含み、上記式中のMおよびMeは、それぞれ独立してV、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、およびWからなる群より選ばれる1種以上の元素を示し、該A層および該B層はそれぞれ20nm以下の層厚であり、刃先稜線部に形成された被覆膜の表面は、急峻な形状の凸部と、隣接する凸部の距離が2μm以上であって、その間をなだらかな曲面で結ぶ第1凹部と、隣接する凸部の距離が2μm未満であって、その間をなだらかな曲面で結ぶ第2凹部とが不規則に形成された凹凸を有するむしれ面であることを特徴としている。
<Coating film>
Coating of the present invention, Al a Ti b Si c M d N ( provided that Shikichu, 0.35 ≦ a ≦ 0.7,0 <c ≦ 0.3,0 ≦ d ≦ 0.3, a + b + c + d = 1) a layer A consisting of, Ti e Al f Si g Me h N ( provided that Shikichu, 0 ≦ f ≦ 0.4,0 <g ≦ 0.3,0 ≦ h ≦ 0.3, e + f + g + h = 1) And a layered product in which two or more layers are alternately laminated, and M and Me in the above formulas are each independently from V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W. One or more elements selected from the group consisting of the A layer and the B layer each having a layer thickness of 20 nm or less, and the surface of the coating film formed on the edge portion of the blade edge having a steep convex portion And the distance between the adjacent convex portions is 2 μm or more, and the distance between the first concave portion connecting the curved portions with a gentle curved surface is less than 2 μm. In addition, the second concave portion connecting the curved portions with a gentle curved surface is an irregular surface having irregularities formed irregularly.
このような本発明の被覆膜は、基材上の全面を被覆する態様を含むとともに、部分的に被覆膜が形成されていない態様をも含み、さらにまた部分的に被覆膜の一部の積層態様が異なっているような態様をも含む。また、本発明の被覆膜は、その全体の膜厚が1μm以上10μm以下であることが好ましい。1μm未満であると耐摩耗性に劣る場合があり、10μmを超えると基材との密着性および耐欠損性が低下する場合がある。このような被覆膜の特に好ましい膜厚は2μm以上8μm以下である。なお、上記の被覆膜は、A層およびB層以外の他の任意の層を含んでいてもよい。 Such a coating film of the present invention includes an aspect in which the entire surface of the substrate is coated, and also includes an aspect in which the coating film is not partially formed. The aspect which the lamination | stacking aspect of a part differs is also included. Moreover, it is preferable that the coating film of this invention is the whole film thickness of 1 micrometer or more and 10 micrometers or less. If it is less than 1 μm, the abrasion resistance may be inferior, and if it exceeds 10 μm, the adhesion to the substrate and the fracture resistance may be reduced. A particularly preferable film thickness of such a coating film is 2 μm or more and 8 μm or less. In addition, said coating film may contain other arbitrary layers other than A layer and B layer.
<刃先稜線部における特徴>
図1は、すくい面の中心における被覆膜表面の法線と2つの逃げ面が交差する稜とを含む平面で本発明の表面被覆切削工具を切断したときの断面図である。本発明は、図1の断面において、刃先稜線部6に形成された被覆膜2の表面は、急峻な形状の凸部と、隣接する凸部の間の距離が2μm以上であって、かつその間をなだらかな曲面で結ぶ第1凹部と、隣接する凸部の距離が2μm未満であって、かつその間をなだらかな曲面で結ぶ第2凹部とが不規則に形成された凹凸を有するむしれ面であることを特徴とする。ここで、「急峻な形状の凸部」とは、凸部の先端が鋭利であって、その凸曲面においてなだらかな面が形成されていない形状を意味する。
<Features at the edge of the cutting edge>
FIG. 1 is a cross-sectional view of the surface-coated cutting tool of the present invention cut along a plane including a normal line of the coating film surface at the center of the rake face and a ridge where two flank surfaces intersect. In the cross section of FIG. 1, the surface of the coating film 2 formed on the cutting edge ridge line portion 6 has a distance between the steep convex portion and the adjacent convex portion of 2 μm or more, and A concave surface having irregularities in which a first concave portion connecting between them with a gentle curved surface and a second concave portion where the distance between adjacent convex portions is less than 2 μm and connecting between them with a gentle curved surface are irregularly formed. It is characterized by being. Here, the “steep convex portion” means a shape in which the tip of the convex portion is sharp and no smooth surface is formed on the convex curved surface.
このようなむしれ面は、チッピングの起点となる刃先稜線部6の膜厚が部分的に薄膜化され、かつ部分的に急峻な形状の凸部を有するため、刃先強度を増強させることができる。その結果、被覆膜2によって耐摩耗性を向上しつつ、被覆膜の脱落やチッピングを防ぐことができ、優れた耐摩耗性と優れた耐欠損性とを得ることができる。このようなむしれ面は、本発明特有の製造方法によって形成されるものであるが、その具体的な製造方法は後述する。 Such a peeled surface can be enhanced in cutting edge strength because the cutting edge ridge portion 6 serving as a starting point of chipping has a partially thinned film and has a partially steep convex portion. As a result, while the wear resistance is improved by the coating film 2, it is possible to prevent the coating film from dropping and chipping, and to obtain excellent wear resistance and excellent chipping resistance. Such a peeling surface is formed by a manufacturing method unique to the present invention, and a specific manufacturing method thereof will be described later.
ここで、本発明における「刃先稜線」と「刃先稜線部」とは異なった概念を示す。「刃先稜線」は、図1に示される断面において、すくい面と逃げ面とが交差する稜を示すものであるが、このような稜は、本発明では後述する特殊な成膜方法で成膜しているため現実には存在せず、したがって本発明においては、図1に示したようにかかる断面においてすくい面3と逃げ面4とをそれぞれ直線で近似し、その直線を延長した場合に両延長線が交差する交点を刃先稜線5とする。これに対し、「刃先稜線部」とは、切削加工時において被削材の切削に最も関与する部位であり、上記刃先稜線5の周辺部を示すものであるが、本発明においては、上記断面においてすくい面3と逃げ面4とをそれぞれ直線で近似した場合に、上記のむしれ面が形成された領域(すなわち被覆膜2表面におけるすくい面3の屈曲点から逃げ面4の屈曲点までの領域)を刃先稜線部(単に「刃先」と呼ぶこともある)とする。 Here, the “blade edge line” and the “blade edge line part” in the present invention indicate different concepts. The “blade edge ridge line” indicates a ridge where the rake face and the flank face intersect in the cross section shown in FIG. 1. Such a ridge is formed by a special film forming method described later in the present invention. Therefore, in the present invention, the rake face 3 and the flank face 4 are approximated by straight lines in such a cross section as shown in FIG. An intersection where the extension lines intersect is defined as a cutting edge ridge line 5. On the other hand, the “blade edge line portion” is a part most involved in cutting of the work material during the cutting process, and indicates the peripheral part of the blade edge line 5. When the rake face 3 and the flank face 4 are approximated by straight lines in FIG. 5, the region where the above-mentioned peel face is formed (that is, from the bending point of the rake face 3 to the bending point of the flank face 4 on the surface of the coating film 2). ) Is defined as a cutting edge ridge line portion (sometimes simply referred to as a “cutting edge”).
一方、上記で規定される平面に関し、「すくい面の中心」とはすくい面の幾何学的な意味での中心を意味し、すくい面の中央部に当該表面被覆切削工具を取り付けるための貫通孔が開けられている場合は、その貫通孔が開けられていないと仮定した場合のすくい面の幾何学的な意味での中心を意味する。また、「2つの逃げ面が交差する稜」とは、2つの逃げ面が交差する稜を意味するが、この稜が明瞭な稜を形成しない場合は、両逃げ面をそれぞれ幾何学的に拡大した場合に両者が交差する仮定的な稜を意味するものとする。なお、このように規定される平面が、1個の表面被覆切削工具に2以上存在する場合は、いずれか1の平面を選択するものとする。 On the other hand, with respect to the plane defined above, “the center of the rake face” means the center of the rake face in the geometrical sense, and a through-hole for attaching the surface-coated cutting tool to the center of the rake face. When is opened, it means the geometrical center of the rake face when it is assumed that the through hole is not opened. The “ridge where two flank surfaces intersect” means a ridge where two flank surfaces intersect. If this ridge does not form a clear ridge, both flank surfaces are geometrically enlarged. In this case, it means a hypothetical ridge where the two intersect. In addition, when two or more planes defined in this way exist in one surface-coated cutting tool, any one plane is selected.
上記のむしれ面は、第1凹部と第2凹部とが交互に形成された凹凸を有することが好ましい。このような形状の凹凸は、被覆膜内部の圧縮応力による自己破壊によって形成されるが、予め刃先稜線部が自己破壊することによって、本発明のような高い圧縮応力を有するSi含有膜でも、密着性および耐摩耗性を両立させることができる。 It is preferable that said peeling surface has the unevenness | corrugation in which the 1st recessed part and the 2nd recessed part were formed alternately. The unevenness of such a shape is formed by self-destruction due to compressive stress inside the coating film, but by cutting the edge edge line part in advance, even a Si-containing film having high compressive stress as in the present invention, It is possible to achieve both adhesion and wear resistance.
そして、本発明においては、上記断面において、刃先稜線部に形成された被覆膜は、刃先稜線部以外に形成された被覆膜の膜厚の70%以下の膜厚である薄膜領域を有することが好ましい。このような薄膜領域は、上記の第1凹部および第2凹部の底部に対応する部分であるが、被覆膜が薄膜領域を有することにより、切削時に被覆膜を安定して摩耗させることができ、工具寿命を向上させることができる。本発明において、薄膜領域は、表面被覆切削工具を切断した断面をアルゴンイオンビームを用いたクロスセクションポリッシャ(CP)によって研磨し、該研磨面をSEMによって観察することによって特定する。 And in this invention, in the said cross section, the coating film formed in the blade edge ridgeline part has a thin film area | region which is a film thickness of 70% or less of the film thickness of the coating film formed in other than a blade edge ridgeline part. It is preferable. Such a thin film region is a portion corresponding to the bottoms of the first recess and the second recess, but the coating film has a thin film region, so that the coating film can be stably worn during cutting. And the tool life can be improved. In the present invention, the thin film region is specified by polishing a cross section of the surface-coated cutting tool with a cross section polisher (CP) using an argon ion beam and observing the polished surface with an SEM.
上記の薄膜領域は、刃先稜線部に形成された被覆膜の50%以上の面積を占めることが好ましく、刃先稜線部に形成された被覆膜の80%以上の面積を占めることがより好ましく、さらに好ましくは90%以上の面積を占めることである。このように刃先稜線部が薄膜領域を有することにより、切削における被覆膜の摩耗が安定して、工具寿命を大幅に向上させることができる。 The thin film region preferably occupies an area of 50% or more of the coating film formed on the cutting edge ridge line part, and more preferably occupies an area of 80% or more of the coating film formed on the cutting edge ridge line part. More preferably, it occupies an area of 90% or more. As described above, the cutting edge ridge line portion has the thin film region, so that the wear of the coating film in the cutting can be stabilized and the tool life can be greatly improved.
本発明の被覆膜は、その基材側から表面側にかけて厚み方向に圧縮応力が増大することが好ましい。ここで、「厚み方向に圧縮応力が増大する」とは、被覆膜の厚み方向に圧縮応力が増加する限り、その増加形態は連続的であっても段階的であってもよい。また、圧縮応力が厚み方向に部分的に減少に転じていても全体として増大している限り本発明の範囲を逸脱するものではない。被覆膜がこのような応力分布を有することにより、上記で説明した刃先稜線部におけるむしれ面によってもたらされる効果と相俟って、耐摩耗性と靭性とが高度に両立されるとともに、基材と被覆膜との密着性が一層向上したものとなる。これは、基材側の圧縮応力を低くすることにより、基材と被覆膜との密着性を確保しつつ、表面側に向けて圧縮応力を徐々に増大することにより、被覆膜自身の応力による被覆膜の内部破壊を防止し、もって切削加工時等に被覆膜表面に発生する亀裂の進展が抑えられるためと考えられる。 In the coating film of the present invention, it is preferable that the compressive stress increases in the thickness direction from the substrate side to the surface side. Here, “the compressive stress increases in the thickness direction” may be continuous or stepwise as long as the compressive stress increases in the thickness direction of the coating film. Further, even if the compressive stress partially decreases in the thickness direction, it does not depart from the scope of the present invention as long as it increases as a whole. Since the coating film has such a stress distribution, in combination with the effect brought about by the peeling surface in the edge portion of the cutting edge described above, the wear resistance and the toughness are highly compatible with each other. The adhesion between the material and the coating film is further improved. This is because, by reducing the compressive stress on the substrate side, ensuring the adhesion between the substrate and the coating film, while gradually increasing the compressive stress toward the surface side, This is considered to be because the internal destruction of the coating film due to stress is prevented, and the progress of cracks generated on the surface of the coating film during cutting is suppressed.
この場合、被覆膜の基材側に近い部分の圧縮応力は、1.5GPa以下の範囲となることが好ましく、被覆膜の表面側は、2GPa以上の圧縮応力を有していることが好ましい。なお、本発明において、「被覆膜の表面側」とは、観念的にはその文言通り最表面を示すものであるが、実際の測定条件としては表面から厚み0.5μmまでの平均圧縮応力を意味するものとする。 In this case, the compressive stress in the portion close to the base material side of the coating film is preferably in the range of 1.5 GPa or less, and the surface side of the coating film has a compressive stress of 2 GPa or more. preferable. In the present invention, “the surface side of the coating film” conceptually indicates the outermost surface as the word indicates, but as an actual measurement condition, an average compressive stress from the surface to a thickness of 0.5 μm is used. Means.
ここで、本発明でいう圧縮応力とは、被覆膜中に存在する内部応力(固有ひずみ)の1種であり、「−」(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)が高いという表現は、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)が低いという表現は、上記数値の絶対値が小さくなることを意味している。因みに、上記数値が「+」(プラス)で表わされるものは引張応力である。 Here, the compressive stress referred to in the present invention is one type of internal stress (inherent strain) existing in the coating film, and is represented by a numerical value (unit: GPa) of “−” (minus). is there. For this reason, the expression that the compressive stress (internal stress) is high indicates that the absolute value of the numerical value is large, and the expression that the compressive stress (internal stress) is low indicates that the absolute value of the numerical value is small. I mean. Incidentally, what the above numerical value is represented by “+” (plus) is tensile stress.
また、本発明の平均圧縮応力および応力分布は、以下のsin2ψ法で測定される。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頁〜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わせてX線の進入深さを固定し、測定する応力方向と測定位置に立てた試料表面法線と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(被覆膜表面側からの距離)までの平均圧縮応力を求めることができる。本発明の場合、被覆膜の断面観察によって被覆膜表面側からの厚みを求め、その厚み(深さ)までの平均圧縮応力を順次求めることにより、応力分布を測定する。すなわち、本発明の応力分布とは、被覆膜表面側からその厚みまでの平均応力の集合として捉えることができる。この点、被覆膜中のある地点の平均応力とは、被覆膜表面からその地点までの平均応力を示す。 The average compressive stress and stress distribution of the present invention are measured by the following sin 2 ψ method. The sin 2 ψ method using X-rays is widely used as a method for measuring the residual stress of 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 tilt method, and the diffraction angle 2θ with respect to various ψ directions is measured in a plane including the stress direction to be measured and the sample surface normal set at the measurement position, and 2θ− A sin 2 ψ diagram can be created, and the average compressive stress from the gradient to the depth (distance from the coating film surface side) can be obtained. In the case of the present invention, the stress distribution is measured by obtaining the thickness from the coating film surface side by observing the cross section of the coating film and sequentially obtaining the average compressive stress up to the thickness (depth). That is, the stress distribution of the present invention can be understood as a set of average stresses from the coating film surface side to its thickness. In this respect, the average stress at a certain point in the coating film indicates an average stress from the surface of the coating film to the point.
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線入射点を通り試料表面で入射X線と直角なω軸と、資料台と平行でω軸を回転させた時に入射X線と一致するχ軸を中心に試料とを回転させる時に、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がなす角度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 set angle on the sample surface at an arbitrary position of the sample, passes through the X-ray incident point on the sample, and the ω axis is perpendicular to the incident X-ray When the sample is rotated around the χ axis that coincides with the incident X-ray when the ω axis is rotated in parallel with the data base, the sample is adjusted 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 formed by the normal line of the diffraction surface and the normal line of the sample surface while rotating.
なお、このような被覆膜の厚み方向の平均応力を測定するためのX線源としては、X線源の質(高輝度、高平行度、波長可変性など)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 measuring the average stress in the thickness direction of the coating film, synchrotron radiation is used in terms of the quality of the X-ray source (high brightness, high parallelism, wavelength variability, etc.). It is preferable to use light (SR).
また、上記の様に圧縮応力を2θ−sin2ψ線図から求めるためには、被覆膜のヤング率とポアソン比が必要である。該ヤング率はダイナミック硬度計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ことから0.2前後の値を用いれば良い。 Further, 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 film are required. The Young's modulus can be measured using a dynamic hardness meter, and since the Poisson's ratio does not vary greatly depending on the material, a value of around 0.2 may be used.
以下、このような被覆膜に含まれる積層体を構成するA層およびB層についてさらに詳細に説明する。 Hereinafter, the A layer and the B layer constituting the laminate included in such a coating film will be described in more detail.
<A層>
積層体を構成するA層は、AlaTibSicMdN(ただし式中、0.35≦a≦0.7、0<c≦0.3、0≦d≦0.3、a+b+c+d=1)からなることを特徴とする。このようなA層は、耐熱性、硬度、および応力バランスに優れるため、高速、ドライ加工時の刃先の耐欠損性に効果的である。上記のSiの原子比cは、0.1以下であることが好ましい。上記cが0.1以下であることにより、耐熱性を向上しつつ圧縮応力の増加を抑えることができ、密着性の低下を避けることができる。また、上記aは0.5≦a≦0.6であり、上記cは0.03≦c≦0.08であり、上記dは、0≦d≦0.3であることがより好ましい。この場合耐熱性、硬度、および圧縮残留応力のバランスが良好なものとなる。上記式中、aが0.35未満であるか、またはdが0.3を超えると、耐酸化性および硬度を向上させる効果を十分に得ることができず、aが0.7を超えると、被覆膜の硬度が大きく低下して耐摩耗性が低下するため好ましくない。
<A layer>
A layer constituting the laminate, Al a Ti b Si c M d N ( provided that Shikichu, 0.35 ≦ a ≦ 0.7,0 <c ≦ 0.3,0 ≦ d ≦ 0.3, a + b + c + d = 1). Such an A layer is excellent in heat resistance, hardness, and stress balance, and therefore effective for high-speed, chipping resistance of the cutting edge during dry processing. The atomic ratio c of Si is preferably 0.1 or less. When c is 0.1 or less, an increase in compressive stress can be suppressed while improving heat resistance, and a decrease in adhesion can be avoided. The a is preferably 0.5 ≦ a ≦ 0.6, the c is preferably 0.03 ≦ c ≦ 0.08, and the d is more preferably 0 ≦ d ≦ 0.3. In this case, the balance of heat resistance, hardness, and compressive residual stress is good. In the above formula, if a is less than 0.35 or d exceeds 0.3, the effect of improving the oxidation resistance and hardness cannot be sufficiently obtained, and if a exceeds 0.7 , Since the hardness of the coating film is greatly reduced and the wear resistance is lowered.
ここで、A層を構成するMは、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、およびWからなる群より選ばれる1種以上の元素であることを特徴とする。このような元素を30原子%以下の割合でA層に含むことにより、A層中で固溶強化が生じ、A層の硬度を高めることができる。上記の元素の中でも、V、Nb、Mo、W等は、切削時の発熱によって酸化物を形成し、自己潤滑効果が発揮されるため、工具寿命を長寿命化することができるというメリットがある点で好ましい。 Here, M constituting the A layer is one or more elements selected from the group consisting of V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W. By including such an element in the A layer at a ratio of 30 atomic% or less, solid solution strengthening occurs in the A layer, and the hardness of the A layer can be increased. Among the above elements, V, Nb, Mo, W, etc. have the merit that the tool life can be extended because an oxide is formed by the heat generated during cutting and the self-lubricating effect is exhibited. This is preferable.
なお、AlaTibSicMdNという表記において、「AlaTibSicMd」と、「N」との組成比は1:1の場合のみに限られるものではなく、組成比として可能である比を全て含み得るものであり、両者の比は特に限定されない。 Note that in the notation Al a Ti b Si c M d N, and "Al a Ti b Si c M d", the composition ratio between "N" 1: not limited only to the case of 1, the composition ratio All possible ratios can be included, and the ratio between the two is not particularly limited.
<B層>
上記のA層とともに積層体を構成するB層は、TieAlfSigMehN(ただし式中、0≦f≦0.4、0<g≦0.3、0≦h≦0.3、e+f+g+h=1)であることを特徴とする。このようなB層は、耐摩耗性と靭性に優れるが、さらなる高速、ドライ加工へ対応するためにはそれ単体では限界があるため、本発明においては上記のA層と交互に積層されるものである。上記のgが0.1以下であることにより、B層の急激な圧縮応力の増加を抑制し、密着性の低下を抑制することができる。ここで、上記fは0≦f≦0.4であり、上記gは0.03≦g≦0.08であり、かつ上記hは0≦h≦0.3であることがより好ましく、この場合耐摩耗性と靭性のバランスが一層良好なものとなる。上記式中、fが0.4を超えると、圧縮残留応力が大きくなり、層間剥離が生じやすくなるため好ましくない。
<B layer>
B layer constituting the laminate together with the above layer A, Ti e Al f Si g Me h N ( provided that Shikichu, 0 ≦ f ≦ 0.4,0 <g ≦ 0.3,0 ≦ h ≦ 0. 3, e + f + g + h = 1). Such a B layer is excellent in wear resistance and toughness, but in order to cope with further high speed and dry processing, there is a limit in itself, so in the present invention, it is laminated alternately with the above A layer. It is. When said g is 0.1 or less, the rapid increase of the compressive stress of B layer can be suppressed and the adhesive fall can be suppressed. Here, f is preferably 0 ≦ f ≦ 0.4, g is 0.03 ≦ g ≦ 0.08, and h is more preferably 0 ≦ h ≦ 0.3. In this case, the balance between wear resistance and toughness is further improved. In the above formula, if f exceeds 0.4, the compressive residual stress increases, and delamination tends to occur, which is not preferable.
ここで、B層を構成するMeは、上記のA層を構成するMと同様に、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、およびWからなる群より選ばれる1種以上の元素であることを特徴とする。このような元素を30原子%以下の割合でB層に含むことにより、B層中で固溶強化が生じ、B層の硬度を高めることができる。上記の元素の中でも、V、Nb、Mo、W等は、切削時の発熱によって酸化物を形成し、自己潤滑効果が発揮されるため、工具寿命を長寿命化することができるというメリットがある点で好ましい。 Here, Me constituting the B layer is one or more elements selected from the group consisting of V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W, similarly to M constituting the A layer. It is characterized by being. By including such an element in the B layer at a ratio of 30 atomic% or less, solid solution strengthening occurs in the B layer, and the hardness of the B layer can be increased. Among the above elements, V, Nb, Mo, W, etc. have the merit that the tool life can be extended because an oxide is formed by the heat generated during cutting and the self-lubricating effect is exhibited. This is preferable.
なお、TieAlfSigMehNという表記において、「TieAlfSigMeh」と「N」との組成比は1:1の場合のみに限られるものではなく、組成比として可能である比を全て含み得るものであり、両者の比は特に限定されない。 Note that in the notation Ti e Al f Si g Me h N, the composition ratio between "Ti e Al f Si g Me h" and "N" 1: not limited only to the case of 1, the composition ratio All possible ratios can be included, and the ratio between the two is not particularly limited.
<A層およびB層の層厚および積層体>
上記のようなA層およびB層はそれぞれ、20nm以下の層厚であることを特徴とする。このような層厚のA層およびB層を2層以上交互に積層させることにより、切削時の衝撃によるクラックの進展が抑えられ、耐欠損性が向上する。かかるA層およびB層は、層間で剥離しない程度に薄くすることにより密着性を向上できることから、可能な限り薄い層厚であることが好ましいが、製造設備の都合上、1nm以上10nm以下であることがより好ましい。これらの層厚が1nm未満の場合、成膜装置の基材をセットする回転テーブルの回転数が早すぎて、装置のスペック上成膜が困難となり、20nmを超えると層厚が厚すぎるため、A層およびB層の両層が有するそれぞれの特性を享受することができない。
<Layer thickness and laminated body of A layer and B layer>
Each of the A layer and the B layer as described above has a layer thickness of 20 nm or less. By laminating two or more A layers and B layers having such a thickness alternately, the progress of cracks due to impact during cutting is suppressed, and the fracture resistance is improved. The A layer and the B layer are preferably as thin as possible because the adhesion can be improved by thinning them to such an extent that they do not peel between the layers, but for convenience of manufacturing facilities, they are 1 nm or more and 10 nm or less. It is more preferable. When these layer thicknesses are less than 1 nm, the number of rotations of the rotary table on which the substrate of the film forming apparatus is set is too fast, making film formation difficult due to the specifications of the apparatus. The respective characteristics of both the A layer and the B layer cannot be enjoyed.
<Siの原子比の差>
A層を構成するSiの原子比cと、B層を構成するSiの原子比gとの差は、0.05以下であることが好ましく、より好ましくは0.03である。A層およびB層のSiの原子比をこのような範囲内に調整することにより、被覆膜の密着性を顕著に向上させることができる。Siの原子比の差が0.05を超えると、組成の均一性が取れなくなるためか、各層の応力差が大きすぎるためか、その理由は定かではないが密着性が低下する場合がある。
<Difference in atomic ratio of Si>
The difference between the atomic ratio c of Si constituting the A layer and the atomic ratio g of Si constituting the B layer is preferably 0.05 or less, more preferably 0.03. By adjusting the atomic ratio of Si in the A layer and the B layer within such a range, the adhesion of the coating film can be remarkably improved. If the Si atomic ratio difference exceeds 0.05, the uniformity of the composition cannot be obtained, or the stress difference between the layers is too large.
<製造方法>
本発明の被覆膜は、物理的蒸着法(PVD法)により形成されることが好ましい。これは、本発明の被覆膜を基材表面に成膜するためには結晶性の高い化合物を形成することができる成膜プロセスであることが不可欠であり、種々の成膜方法を検討した結果、物理的蒸着法を用いることが最適であることが見出されたからである。物理的蒸着法には、たとえばスパッタリング法、イオンプレーティング法などがあるが、特に原料元素のイオン率が高いカソードアークイオンプレーティング法を用いると、被覆膜を形成する前に基材表面に対して金属またはガスイオンボンバードメント処理が可能となるため、被覆膜と基材との密着性が格段に向上するので好ましい。
<Manufacturing method>
The coating film of the present invention is preferably formed by physical vapor deposition (PVD method). In order to form the coating film of the present invention on the substrate surface, it is indispensable to be a film forming process capable of forming a compound having high crystallinity, and various film forming methods were examined. As a result, it has been found that it is optimal to use physical vapor deposition. Physical vapor deposition methods include, for example, sputtering method, ion plating method, etc. Especially, when using cathode arc ion plating method with high ion ratio of raw material elements, before forming the coating film, On the other hand, since metal or gas ion bombardment treatment is possible, the adhesion between the coating film and the substrate is significantly improved, which is preferable.
したがって、本発明の被覆膜は、物理的蒸着法の一種であるカソードアークイオンプレーティング法を採用して形成することが好ましい。図2は、カソードアークイオンプレーティング法に用いられるアークイオンプレーティング装置200の概略図である。対向する蒸発源201、202において、蒸発源201にはA層用のAlTiSiMターゲットをセットし、蒸発源202にはB層用のTiAlSiMeターゲットをセットする。また、回転テーブル204に基材210(切削工具)をセットする。 Therefore, the coating film of the present invention is preferably formed by employing a cathode arc ion plating method which is a kind of physical vapor deposition method. FIG. 2 is a schematic diagram of an arc ion plating apparatus 200 used in the cathode arc ion plating method. In the opposing evaporation sources 201 and 202, an AlTiSiM target for the A layer is set in the evaporation source 201, and a TiAlSiMe target for the B layer is set in the evaporation source 202. Further, the base 210 (cutting tool) is set on the rotary table 204.
ここで、蒸発源201にセットされるターゲットの組成(AlとTiとSiとMとの比)によりA層を構成するAlaTibSicMdNのa、b、c、およびdを決定することができる。また、蒸発源202にセットされるターゲットの組成(TiとAlとSiとMeとの比)によりB層を構成するTieAlfSigMehNのe、f、g、およびhを決定することができる。 Here, a of Al a Ti b Si c M d N constituting the A layer by the composition of the target to be set in the evaporation source 201 (the ratio of Al and Ti, Si and M), b, c, and d Can be determined. Also, determine the Ti e Al f Si g Me h N of e, f, g, and h constituting the B layer by the composition of the target to be set in the evaporation source 202 (the ratio between Ti and Al and Si and Me) can do.
そして、装置内が真空となるように排気した後に、装置内をたとえば500℃に加熱した状態で回転テーブル204を5rpmで回転させながら、Arガスによるスパッタクリーニング(ボンバード)を行なう。その後、基材に−50Vのバイアス電圧を印加し、回転テーブル204を3rpmで回転させながら、常に一定のアーク電流により蒸発源201、202をアーク放電させることにより、各ターゲットをイオン化させる。同時に反応ガスである窒素をガス導入口205から導入し、基材210の表面にA層およびB層を交互に成膜する。 Then, after the apparatus is evacuated to a vacuum, sputter cleaning (bombarding) with Ar gas is performed while rotating the rotary table 204 at 5 rpm while the apparatus is heated to, for example, 500 ° C. Thereafter, a bias voltage of −50 V is applied to the substrate, and the evaporation sources 201 and 202 are always arc-discharged by a constant arc current while rotating the rotary table 204 at 3 rpm, thereby ionizing each target. At the same time, nitrogen, which is a reactive gas, is introduced from the gas introduction port 205, and A layers and B layers are alternately formed on the surface of the substrate 210.
すなわち、蒸発源201の前を基材210が通過するときにAlaTibSicMdNからなるA層が成膜され、蒸発源202の前を基材210が通過するときにTieAlfSigMehNからなるB層が成膜され、このように回転テーブル204が回転するのに従いA層とB層とを順次交互に積層させることができる。なお、成膜する間の蒸発源201のアーク電流、およびテーブルの回転数を調整することにより、A層およびB層の層厚を調整することができ、蒸発源201、202のアーク電流を一定とすることにより、A層およびB層をいずれも実質的に同一の層厚にすることができる。 That, Al a front when the substrate 210 passes the evaporation source 201 Ti b Si c M d N consisting of A layer is deposited, Ti e previous evaporation source 202 when the substrate 210 passes al f Si g Me h N consisting B layer is deposited, thus the rotary table 204 can be laminated sequentially alternately a layer and the B layer according to rotate. By adjusting the arc current of the evaporation source 201 and the rotation speed of the table during film formation, the layer thicknesses of the A layer and the B layer can be adjusted, and the arc currents of the evaporation sources 201 and 202 are kept constant. As a result, both the A layer and the B layer can have substantially the same layer thickness.
ここで、蒸発源201、202のアーク電流を低くするほど、A層およびB層の層厚は薄く形成される。ただし、ターゲットの放電を安定させるためにはアーク電流は80A以上とする必要がある。アーク電流を80A未満にすると、アーク放電が不安定になり、A層およびB層の層厚を均一に形成しにくくなる。 Here, the lower the arc current of the evaporation sources 201 and 202, the thinner the layer thicknesses of the A layer and the B layer. However, the arc current needs to be 80 A or more in order to stabilize the discharge of the target. When the arc current is less than 80 A, the arc discharge becomes unstable and it becomes difficult to form the layer thicknesses of the A layer and the B layer uniformly.
また、アーク電流を150A程度とした場合、テーブルの回転数を3rpm以上15rpm以下にすることにより、20nm以下の層厚のA層およびB層を形成することができる。テーブルの回転数を3rpm未満にすると、A層およびB層の層厚が20nmを超える場合があり、15rpmを超えることは製造設備の制約上好ましくない。 When the arc current is about 150 A, the A layer and the B layer having a layer thickness of 20 nm or less can be formed by setting the number of rotations of the table to 3 rpm or more and 15 rpm or less. If the number of rotations of the table is less than 3 rpm, the layer thicknesses of the A layer and the B layer may exceed 20 nm, and exceeding 15 rpm is not preferable because of restrictions on manufacturing equipment.
上記の被覆膜の形成において、被覆膜の基材側から表面側にかけて厚み方向に圧縮応力が増大するように被覆膜を成膜するために、成膜開始から成膜終了までの、チャンバー内の圧力および基材に印加するバイアス電圧などの条件を徐々に変化させることが好ましい。すなわちたとえば、成膜初期のバイアス電圧を30V以下として成膜を開始し、そこから傾斜的または段階的にバイアス電圧を増加させて成膜後期のバイアス電圧を70V以上となるようにバイアス電圧を調整することが好ましい。このような成膜条件で被覆膜を成膜することにより、被覆膜の表面側の圧縮応力が増大し、特に刃先稜線5において圧縮応力が集中して自己破壊することになるため、その刃先稜線部6にむしれ面が形成される。このように刃先稜線5に圧縮応力を集中させることをもって、刃先に形成される被覆膜のみを自己破壊させるという試みは従来技術ではなされておらず、このような切削工具の製造方法は極めて特異であり、これによって得られる効果もまた従来技術によって得られる効果を大きく凌ぐものである。 In the formation of the coating film, in order to form the coating film so that the compressive stress increases in the thickness direction from the base material side to the surface side of the coating film, from the start of film formation to the end of film formation, It is preferable to gradually change conditions such as the pressure in the chamber and the bias voltage applied to the substrate. That is, for example, the film formation is started with a bias voltage of 30 V or less at the initial stage of film formation, and the bias voltage is increased gradually or stepwise from there to adjust the bias voltage so that the bias voltage at the latter stage of film formation is 70 V or more. It is preferable to do. By forming the coating film under such film formation conditions, the compressive stress on the surface side of the coating film increases, and particularly the compressive stress concentrates on the edge line 5 of the blade and self-destructs. A peeling surface is formed on the blade edge portion 6. Thus, no attempt has been made in the prior art to concentrate only the coating film formed on the cutting edge by concentrating the compressive stress on the edge 5 of the cutting edge, and the manufacturing method of such a cutting tool is extremely unique. The effect obtained by this is also far superior to the effect obtained by the prior art.
上記のバイアス電圧と同様の観点から、成膜初期におけるチャンバー内の温度を550℃以上として、そこから傾斜的または段階的に昇温し、成膜終期におけるチャンバー内の温度を450℃以下になるようにチャンバー内の温度を調整することが好ましい。 From the same viewpoint as the above bias voltage, the temperature in the chamber at the initial stage of film formation is set to 550 ° C. or higher, and the temperature in the chamber is gradually or stepwise increased to 450 ° C. or lower at the final stage of film formation. It is preferable to adjust the temperature in the chamber.
各層の層厚は、回転テーブル204の回転数、およびアーク電流値により制御することができる。なお、A層およびB層の各層厚が1nm未満では回転テーブルの回転数が非常に早くなり、装置スペック上成膜が困難となる。なお、アークイオンプレーティング装置200は、複数のヒータ206が備えられている。 The layer thickness of each layer can be controlled by the number of rotations of the turntable 204 and the arc current value. If the thickness of each of the A layer and the B layer is less than 1 nm, the number of rotations of the rotary table becomes very fast, and it is difficult to form a film on the device specifications. The arc ion plating apparatus 200 includes a plurality of heaters 206.
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、実施例および比較例中の被覆膜の化合物組成はXPS(X線光電子分光分析装置)によって確認した。平均圧縮応力は上述したsin2ψ法によって測定した。 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 coating film in an Example and a comparative example was confirmed by XPS (X-ray photoelectron spectroscopy analyzer). The average compressive stress was measured by the sin 2 ψ method described above.
また、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、回折線のピークはTi0.5Al0.5N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(MST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)の値を用いた。 In the measurement by the sin 2 ψ method, the energy of the X-ray used was 10 keV, and the peak of the diffraction line was a (200) plane of Ti 0.5 Al 0.5 N. 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 (MST nanoindenter) is adopted as the Young's modulus. The value of TiN (0.19) was used as the Poisson's ratio.
図2のようなアークイオンプレーティング装置を用い、各層形成用のターゲットを蒸発源にセットし、基材上に被覆膜を成膜した。 An arc ion plating apparatus as shown in FIG. 2 was used, a target for forming each layer was set in an evaporation source, and a coating film was formed on the substrate.
基材としては、P20相当超硬合金製フライス用スローアウェイチップ(形状:SEMT13T3AGSN−G)を準備し、それぞれ表1に示した各実施例および各比較例の被覆膜を成膜した。 As the base material, a P20 equivalent cemented carbide milling throw tip (shape: SEMT13T3AGSN-G) was prepared, and the coating films of the examples and comparative examples shown in Table 1 were formed.
被覆膜は、表1中の「組成」の欄に記載した「A層」および「B層」を積層させることにより構成した。「層厚」の欄には、A層およびB層のそれぞれの層厚を示し、「全体膜厚」の欄は、被覆膜の膜厚を示した。 The coating film was formed by laminating “A layer” and “B layer” described in the “Composition” column of Table 1. The “layer thickness” column indicates the thickness of each of the A layer and the B layer, and the “total film thickness” column indicates the thickness of the coating film.
そして、「基材近傍圧縮応力」の欄には、被覆膜の基材と接する側から0.5μmまでの領域における平均圧縮応力を示し、「表面近傍圧縮応力」の欄には、被覆膜の表面から厚み0.5μmまでの領域における平均圧縮応力を示した。また、「Si比の差」の欄には、被覆膜を構成するA層のSiの原子比cと、B層のSiの原子比gとの差を示した。 The column “Substrate vicinity compressive stress” shows the average compressive stress in the region from the side of the coating film in contact with the substrate to 0.5 μm, and the column “Surface vicinity compressive stress” shows the coating The average compressive stress in the region from the surface of the film to a thickness of 0.5 μm was shown. In the column of “difference of Si ratio”, the difference between the atomic ratio c of Si in the A layer and the atomic ratio g of Si in the B layer constituting the coating film is shown.
たとえば、実施例1においては、図2のアークイオンプレーティング装置を用い、蒸発源201のターゲット材料にAl0.58Ti0.25Si0.05Cr0.12をセットし、蒸発源202のターゲット材料にTi0.68Si0.04Nb0.28をそれぞれセットして、被覆膜を形成することにより表面被覆切削工具を作製した。なお、被覆膜を目的の組成とするために、N2ガスを反応ガスとして導入し、さらにArガスを適宜導入してチャンバー内の圧力を調整した。 For example, in Example 1, the arc ion plating apparatus of FIG. 2 is used, Al 0.58 Ti 0.25 Si 0.05 Cr 0.12 is set as the target material of the evaporation source 201, and Ti 0.68 Si 0.04 Nb is set as the target material of the evaporation source 202. A surface-coated cutting tool was prepared by setting 0.28 and forming a coating film. In order to make the coating film have a desired composition, N 2 gas was introduced as a reaction gas, and Ar gas was appropriately introduced to adjust the pressure in the chamber.
まず、図2のアークイオンプレーティング装置のチャンバー内の圧力が真空になるように排気した後に、チャンバー内の温度を600℃まで昇温した。そして、Arガスを導入してチャンバー内の圧力を1.0Paに保持し、DCバイアス電圧を徐々に上げながら−1000Vとし、基材表面のクリーニング(ボンバード)を15分間行なった。その後アルゴンガスを排気した。これにより、Arイオンが基材表面をスパッタクリーニングし強固な汚れや酸化膜が除去された。 First, after evacuating so that the pressure in the chamber of the arc ion plating apparatus of FIG. 2 became a vacuum, the temperature in the chamber was raised to 600 ° C. Then, Ar gas was introduced, the pressure in the chamber was maintained at 1.0 Pa, the DC bias voltage was gradually increased to −1000 V, and the substrate surface was cleaned (bombarded) for 15 minutes. Thereafter, the argon gas was exhausted. As a result, Ar ions sputter-cleaned the substrate surface, and strong dirt and oxide films were removed.
次に、A層およびB層を成膜した。チャンバー内の圧力が3PaになるようにN2ガスを導入し、回転テーブル204を3rpmの回転数で回転させながら、Al0.58Ti0.25Si0.05Cr0.12ターゲットおよびTi0.68Si0.04Nb0.28ターゲットをアーク電流150Aとしてイオン化し、それぞれN2ガスと反応させることにより、基材上に層厚2nmのAl0.58Ti0.25Si0.05Cr0.12NからなるA層と、層厚2nmのTi0.68Si0.04Nb0.28NからなるB層とをそれぞれ交互に875層ずつ成膜し、合計膜厚が3.5μmの被覆膜を形成した。このとき、成膜開始時の基材DCバイアス電圧を25Vとして、それから一定の比率で変化させて、成膜終了時の基材DCバイアス電圧が80Vになるように調節し、180分間成膜した。このようにしてA層とB層とが交互に積層した積層体を含む被覆膜を成膜し、実施例1の表面被覆切削工具を作製した。 Next, an A layer and a B layer were formed. The N 2 gas is introduced so that the pressure in the chamber becomes 3 Pa, and the Al 0.58 Ti 0.25 Si 0.05 Cr 0.12 target and the Ti 0.68 Si 0.04 Nb 0.28 target are arced while rotating the rotary table 204 at a rotation speed of 3 rpm. By ionizing as 150A and reacting with N 2 gas, respectively, a layer A made of Al 0.58 Ti 0.25 Si 0.05 Cr 0.12 N with a thickness of 2 nm and a Ti 0.68 Si 0.04 Nb 0.28 N with a thickness of 2 nm on the substrate. 875 layers were alternately formed with each of the B layers to form a coating film having a total film thickness of 3.5 μm. At this time, the base material DC bias voltage at the start of film formation was set to 25 V, and then changed at a constant ratio so that the base material DC bias voltage at the end of film formation was adjusted to 80 V, and the film was formed for 180 minutes. . Thus, the coating film containing the laminated body which the A layer and the B layer were laminated | stacked alternately was formed into a film, and the surface coating cutting tool of Example 1 was produced.
このようにして作製された表面被覆切削工具のすくい面の中心における被覆膜表面の法線と2つの逃げ面が交差する稜とを含む平面で表面被覆切削工具を切断した。そして、その断面をアルゴンイオンビームを用いたクロスセクションポリッシャ(CP)によって研磨した。その研磨面をSEMによって1500倍の倍率で観察した。その観察画像を図3に示す。 The surface-coated cutting tool was cut along a plane including the normal of the coating film surface at the center of the rake face of the surface-coated cutting tool thus produced and a ridge where two flank surfaces intersect. Then, the cross section was polished by a cross section polisher (CP) using an argon ion beam. The polished surface was observed with a SEM at a magnification of 1500 times. The observed image is shown in FIG.
図3に示される画像に基づいて、刃先稜線部の形状を評価したところ、実施例1の表面被覆切削工具の刃先稜線部に形成された被覆膜の表面は、急峻な形状の凸部と、隣接する凸部の間の距離が2μm以上であって、かつその間をなだらかな曲面で結ぶ第1凹部と、隣接する凸部の距離が2μm未満であって、かつその間をなだらかな曲面で結ぶ第2凹部とが不規則に形成された凹凸を有するむしれ面であることが確認された。また、同観察画像に基づいて、刃先稜線部に占める被覆膜の全体膜厚の70%以下の領域(薄膜領域)の比率を算出した。このようにして算出した薄膜領域の比率を表1の「薄膜領域の比率」の欄に示した。 Based on the image shown in FIG. 3, the shape of the cutting edge ridge line portion was evaluated. As a result, the surface of the coating film formed on the cutting edge ridge line portion of the surface-coated cutting tool of Example 1 had a steep convex portion. The distance between adjacent convex portions is 2 μm or more and the distance between adjacent first convex portions and the adjacent convex portions is less than 2 μm, and the distance between them is connected with a gentle curved surface. It was confirmed that the second concave portion was a peeling surface having irregularities formed irregularly. Moreover, the ratio of the area | region (thin film area | region) of 70% or less of the whole film thickness of the coating film which occupies for a blade edge ridgeline part was computed based on the same observed image. The ratios of the thin film regions calculated in this way are shown in the column “Thin film region ratio” in Table 1.
実施例2〜20の表面被覆切削工具においても、実施例1と同様にして刃先稜線部をSEMで観察したところ、同様の形状のむしれ面が形成されていることが確認された。また、実施例1と同様の方法によって薄膜領域の比率を算出した。 Also in the surface-coated cutting tools of Examples 2 to 20, when the edge of the edge of the blade was observed with an SEM in the same manner as in Example 1, it was confirmed that a peeled surface having the same shape was formed. Further, the ratio of the thin film region was calculated by the same method as in Example 1.
(切削性能評価)
各実施例および各比較例の表面被覆フライス加工用スローアウェイチップについて次に示す切削条件にて評価を行なった。その切削評価の結果を表2に示す。
(Cutting performance evaluation)
The throwaway tip for surface-coated milling in each example and each comparative example was evaluated under the following cutting conditions. The results of the cutting evaluation are shown in Table 2.
(1)フライス連続評価
上記で作製した表面被覆フライス加工用スローアウェイチップを用いてフライス連続試験を行なった。フライス連続切削の条件は、基材として上記の通りP20相当超硬合金製スローアウェイチップ(形状:SEMT13T3AGSN−G)を用い、被削材としてSCM435(長さ300mm×幅200mmのブロック材)を用い、切削速度=300m/min、送り量=0.25mm/t、切込み量=1.5mm、切削油なしで行なった。切削時間15分時点での逃げ面の摩耗幅を測定した。摩耗幅が少ないほど、耐摩耗性に優れていることを示している。
(1) Milling continuous evaluation A milling continuous test was performed using the throw-away tip for surface-coated milling produced above. As for the conditions for continuous milling, as described above, a P20-equivalent cemented carbide throwaway tip (shape: SEMT13T3AGSN-G) is used as the base material, and SCM435 (block material of length 300 mm × width 200 mm) is used as the work material. The cutting speed was 300 m / min, the feed amount was 0.25 mm / t, the cutting amount was 1.5 mm, and no cutting oil was used. The wear width of the flank at a cutting time of 15 minutes was measured. The smaller the wear width, the better the wear resistance.
(2)フライス断続評価
上記で作製した表面被覆フライス加工用スローアウェイチップを用いてフライス断続試験を行なった。フライス断続切削の条件は、被削材として、S50C(長さ300mm×幅200mm)を用い、これにφ8のドリルで300穴を開けた断続面に対し、切削速度=100m/min、送り量=0.4mm/t、切込み量=1.5mm、切削油なしで行ない、チップの表面が欠損するまでに切削加工した距離を測定した。切削距離が長いほど、耐チッピング性に優れていることを示している。
(2) Milling Intermittent Evaluation A milling intermittent test was performed using the surface-coated milling throwaway tip produced above. The conditions for milling interrupted cutting were S50C (length 300 mm × width 200 mm) as a work material, cutting speed = 100 m / min, feed rate = for an interrupted surface in which 300 holes were drilled with a φ8 drill. 0.4 mm / t, cutting depth = 1.5 mm, performed without cutting oil, and measured the distance of cutting until the chip surface was damaged. The longer the cutting distance, the better the chipping resistance.
表2より、実施例の表面被覆切削工具は、比較例の表面被覆切削工具と比較して工具寿命が著しく向上しており、高速加工およびドライ加工に十分対応できることがわかった。これにより、本発明の表面被覆切削工具が、AlTiSiMNの特性とTiSiMeNの特性とを兼備し、耐摩耗性、耐欠損性、および密着性を兼ね備えたものであることが確認された。 From Table 2, it was found that the surface-coated cutting tool of the example has a significantly improved tool life as compared with the surface-coated cutting tool of the comparative example, and can sufficiently cope with high-speed machining and dry machining. Thus, it was confirmed that the surface-coated cutting tool of the present invention has both the characteristics of AlTiSiMN and TiSiMeN, and has wear resistance, fracture resistance, and adhesion.
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 as 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.
1,210 基材、2 被覆膜、3 すくい面、4 逃げ面、5 刃先稜線、6 刃先稜線部、200 アークイオンプレーティング装置、201,202 蒸発源、204 回転テーブル、205 ガス導入口、206 ヒータ。 1, 210 base material, 2 coating film, 3 rake face, 4 flank face, 5 edge edge line, 6 edge edge line part, 200 arc ion plating apparatus, 201, 202 evaporation source, 204 rotary table, 205 gas inlet, 206 Heater.
Claims (9)
前記被覆膜は、AlaTibSicMdN(ただし式中、0.35≦a≦0.7、0<c≦0.3、0≦d≦0.3、a+b+c+d=1)からなるA層と、TieAlfSigMehN(ただし式中、0≦f≦0.4、0<g≦0.3、0≦h≦0.3、e+f+g+h=1)からなるB層とが交互に各2層以上積層された積層体を含み、
前記式中MおよびMeは、それぞれ独立してV、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、およびWからなる群より選ばれる1種以上の元素を示し、
前記A層および前記B層はそれぞれ、20nm以下の層厚であり、
刃先稜線部に形成された前記被覆膜の表面は、急峻な形状の凸部と、隣接する前記凸部の間の距離が2μm以上であって、かつその間をなだらかな曲面で結ぶ第1凹部と、隣接する前記凸部の距離が2μm未満であって、かつその間をなだらかな曲面で結ぶ第2凹部とが不規則に形成された凹凸を有するむしれ面である、表面被覆切削工具。 A surface-coated cutting tool comprising a substrate and a coating film formed thereon,
The coating film, Al a Ti b Si c M d N ( provided that Shikichu, 0.35 ≦ a ≦ 0.7,0 <c ≦ 0.3,0 ≦ d ≦ 0.3, a + b + c + d = 1) consists of a layer A consisting of, Ti e Al f Si g Me h N ( provided that Shikichu, 0 ≦ f ≦ 0.4,0 <g ≦ 0.3,0 ≦ h ≦ 0.3, e + f + g + h = 1) Including a laminate in which two or more B layers are alternately laminated,
In the formula, M and Me each independently represent one or more elements selected from the group consisting of V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W;
Each of the A layer and the B layer has a layer thickness of 20 nm or less,
The surface of the coating film formed on the edge of the cutting edge is a first concave portion in which the distance between the convex portion having a steep shape and the adjacent convex portion is 2 μm or more and a gentle curved surface is formed therebetween. A surface-coated cutting tool, wherein a distance between adjacent convex portions is less than 2 μm, and a second concave portion connecting between the convex portions is a irregular surface formed irregularly.
前記被覆膜は、成膜開始から成膜終了までの基材のバイアス電圧を徐々に変化させることにより前記基材上に成膜する、表面被覆切削工具の製造方法。 It is a manufacturing method of the surface covering cutting tool according to claim 1,
The method for manufacturing a surface-coated cutting tool, wherein the coating film is formed on the substrate by gradually changing a bias voltage of the substrate from the start of film formation to the end of film formation.
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