JP5515806B2 - Surface-coated cutting tool with excellent fracture resistance due to hard coating layer - Google Patents
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Description
本発明は、硬質被覆層が、工具基体表面に対して直立方向に成長した縦長平板状のＣｒＡｌＮ結晶粒で構成されることにより、断続重切削加工という厳しい切削条件下で用いられた場合にも、すぐれた耐欠損性を発揮し、切削工具の長寿命化が可能となる炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金製表面被覆切削工具（以下、被覆工具という）に関するものである。 Even when the hard coating layer is used under severe cutting conditions such as intermittent heavy cutting because the hard coating layer is composed of vertically long CrAlN crystal grains grown in an upright direction with respect to the tool base surface. The present invention relates to a tungsten carbide (hereinafter referred to as WC) -based cemented carbide surface-coated cutting tool (hereinafter referred to as a coated tool) that exhibits excellent chipping resistance and can extend the life of the cutting tool.
一般に、被覆工具には、各種の鋼や鋳鉄などの被削材の旋削加工にバイトの先端部に着脱自在に取り付けて用いられるインサートや、前記インサートを着脱自在に取り付けて、面削加工や溝加工、さらに肩加工などに用いられるソリッドタイプのエンドミルと同様に切削加工を行うインサート式エンドミルなどが知られている。 In general, for coated tools, inserts that are detachably attached to the tip of a cutting tool for turning of work materials such as various types of steel and cast iron, and the inserts are detachably attached to be used for chamfering and grooving. An insert type end mill that performs cutting processing in the same manner as a solid type end mill used for processing and shoulder processing is known.
また、例えば、特許文献１に示されるように、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金焼結体で構成された工具本体の表面に、ＣｒとＡｌの複合窒化物（以下、ＣｒＡｌＮで示す）層からなる硬質被覆層を物理蒸着してなる被覆工具が知られており、各種の鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削加工に用いられている。
また、例えば、特許文献２に示されるように、工具本体の表面に、ＣｒＡｌＮ層からなる硬質層を１層以上物理蒸着してなる被覆工具において、硬質層の少なくとも１層はＳｉを含有する固溶体相であり、結晶構造がｆｃｃである被覆工具も知られている。
Further, for example, as shown in
Also, for example, as shown in Patent Document 2, in a coated tool formed by physical vapor deposition of one or more hard layers made of a CrAlN layer on the surface of a tool body, at least one of the hard layers is a solid solution containing Si. Coated tools that are phase and have a crystal structure of fcc are also known.
近年の切削加工装置のＦＡ化はめざましく、加えて切削加工に対する省力化、省エネ化、低コスト化さらに効率化の要求も強く、これに伴い、高送り、高切り込みなどより高効率の重切削加工が要求される傾向にあるが、前記従来被覆工具においては、各種の鋼や鋳鉄を通常条件下で切削加工した場合に特段の問題は生じないが、切刃に対して大きな断続的・衝撃的負荷がかかる断続重切削加工に用いた場合には、切刃部に欠損を生じやすく、これが原因で、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。 In recent years, the FA of cutting devices has been remarkable, and in addition, there are strong demands for labor saving, energy saving, cost reduction and efficiency for cutting, and with this, high-efficiency heavy cutting such as high feed and high cutting However, in the above-mentioned conventional coated tools, there is no particular problem when various steels and cast irons are machined under normal conditions. When used for intermittent heavy cutting with a load applied, the cutting edge is likely to be damaged, and this causes the service life to be reached in a relatively short time.
そこで、本発明者等は、前述のような観点から、断続重切削加工に用いられた場合にも優れた耐欠損性を示し被覆工具の長寿命化を図るべく、硬質被覆層をＣｒＡｌＮ層で構成するとともに、該ＣｒＡｌＮ層の結晶粒組織に着目し鋭意研究を行った結果、次のような知見を得た。 In view of the above, the inventors of the present invention have made the hard coating layer a CrAlN layer in order to show excellent fracture resistance even when used in intermittent heavy cutting and to extend the life of the coated tool. As a result of intensive studies focusing on the crystal grain structure of the CrAlN layer, the following knowledge was obtained.
（ａ）従来、ＷＣ超硬合金からなる工具基体表面に、硬質被覆層としてのＣｒＡｌＮ層を成膜する場合、物理蒸着装置の１種であるアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）装置に前記工具基体を装着し、例えば、
装置内加熱温度：３９０〜４５０℃、
工具基体に印加する直流バイアス電圧：−２０〜−５０Ｖ、
カソード電極：Ｃｒ−Ａｌ合金、
アーク放電電流：９０〜１２０Ａ、
装置内ガス流量：窒素（Ｎ２）ガス＋アルゴン（Ａｒ）ガス、
装置内窒素ガス圧力：１〜５Ｐａ、
の条件の条件で、ＣｒＡｌＮ層（以下、従来ＣｒＡｌＮ層という）が成膜される。
(A) Conventionally, when forming a CrAlN layer as a hard coating layer on the surface of a tool base made of a WC cemented carbide, the tool base is attached to an arc ion plating (AIP) apparatus which is a kind of physical vapor deposition apparatus. Wearing, for example,
In-apparatus heating temperature: 390 to 450 ° C.,
DC bias voltage applied to the tool base: -20 to -50V,
Cathode electrode: Cr-Al alloy,
Arc discharge current: 90-120A
Gas flow in the apparatus: nitrogen (N 2 ) gas + argon (Ar) gas,
Nitrogen gas pressure in the apparatus: 1 to 5 Pa,
Under these conditions, a CrAlN layer (hereinafter referred to as a conventional CrAlN layer) is formed.
（ｂ）しかるに、前記ＣｒＡｌＮ層の形成を、例えば、図１の概略説明図に示される物理蒸着装置の１種である圧力勾配型Ａｒプラズマガスを利用したイオンプレーティング装置に上記の工具基体を装着し、
工具基体温度：３６０〜４５０ ℃、
蒸発源：金属Ｃｒおよび金属Ａｌ、
プラズマガン放電電力：１１〜１５ ｋＷ（金属Ｃｒに対して）、
プラズマガン放電電力：８〜１０ ｋＷ（金属Ａｌに対して）、
反応ガス流量：窒素（Ｎ２）ガス １００〜１２０ ｓｃｃｍ、
放電ガス：アルゴン（Ａｒ）ガス ３０〜６０ ｓｃｃｍ、
工具基体に印加する直流バイアス電圧：＋３〜＋５ Ｖ、
ハースと工具基体間の距離：９５０〜１０５０ ｍｍ、
という特定の条件でＣｒＡｌＮ層を蒸着形成した場合、この結果形成されたＣｒＡｌＮ層（以下、改質ＣｒＡｌＮ層という）を硬質被覆層とする被覆工具は、前記従来ＣｒＡｌＮ層を形成した被覆工具に比して、高切り込み、高送りの断続重切削加工条件において、すぐれた耐欠損性を示すことを見出した。
(B) However, the CrAlN layer is formed by, for example, applying the above-mentioned tool base to an ion plating apparatus using a pressure gradient type Ar plasma gas, which is one type of physical vapor deposition apparatus shown in the schematic explanatory view of FIG. Wearing,
Tool substrate temperature: 360 to 450 ° C.
Evaporation source: metal Cr and metal Al,
Plasma gun discharge power: 11-15 kW (relative to metal Cr),
Plasma gun discharge power: 8 to 10 kW (relative to metal Al),
Reaction gas flow rate: nitrogen (N 2) gas 100 to 120 sccm,
Discharge gas: Argon (Ar) gas 30-60 sccm,
DC bias voltage applied to the tool base: +3 to +5 V,
Distance between Hearth and tool substrate: 950-1050 mm,
When the CrAlN layer is vapor-deposited under the specific conditions of the above, the coated tool using the resulting CrAlN layer (hereinafter referred to as a modified CrAlN layer) as a hard coating layer is compared with the conventional coated tool having the CrAlN layer formed thereon. The present inventors have found that excellent fracture resistance is exhibited under high cutting and high feed intermittent cutting conditions.
（ｃ）前記改質ＣｒＡｌＮ層の断面組織を透過型電子顕微鏡で観察したところ、図２の断面斜視図に示すように、層厚方向の縦断面においては、工具基体表面に対して直立方向に成長した縦長平板状のＣｒＡｌＮ結晶粒が形成され、また、改質ＣｒＡｌＮ層の表面から０．１μｍの深さの水平断面においては、短辺が５〜１００ｎｍであって、アスペクト比が３以上である前記縦長平板状のＣｒＡｌＮ結晶粒が所定の面積割合で形成されていることを確認した。 (C) When the cross-sectional structure of the modified CrAlN layer was observed with a transmission electron microscope, as shown in the cross-sectional perspective view of FIG. 2, the vertical cross-section in the layer thickness direction was in an upright direction with respect to the tool base surface. In the horizontal cross section having a depth of 0.1 μm from the surface of the modified CrAlN layer, the short side is 5 to 100 nm and the aspect ratio is 3 or more. It was confirmed that certain vertical plate-like CrAlN crystal grains were formed in a predetermined area ratio.
（ｄ）そして、表面被覆切削工具の硬質被覆層を、前記結晶粒組織の改質ＣｒＡｌＮ層で構成すると、層の曲げ抵抗が大になり耐塑性変形性が向上するとともに、結晶粒界が複雑に入り組んで形成されていることから、硬質被覆層にクラックが発生した場合でも、クラックの進展に対する抵抗性が増し、その結果、切刃に対して大きな断続的・衝撃的負荷がかかる高送り、高切り込みの断続重切削加工に用いた場合であっても、チッピング、欠損の発生が抑制され、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮することを見出したのである。 (D) When the hard coating layer of the surface-coated cutting tool is composed of the modified CrAlN layer of the crystal grain structure, the bending resistance of the layer is increased, the plastic deformation resistance is improved, and the crystal grain boundary is complicated. Because it is formed in an intricate manner, even when cracks occur in the hard coating layer, the resistance to crack growth increases, and as a result, high feed that places a large intermittent and impact load on the cutting edge, It has been found that even when used for high-cut intermittent heavy cutting, chipping and chipping are suppressed, and excellent cutting performance is exhibited over a long period of use.
本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「（１） 炭化タングステン基超硬合金製工具基体の表面に、０．２〜２μｍの平均層厚のＣｒＡｌＮ層からなる硬質被覆層を物理蒸着した表面被覆切削工具において、
前記ＣｒＡｌＮ層が、前記平均層厚と等しい高さを有し、かつ、前記工具基体表面に対して直立方向に成長した縦長平板状のＣｒＡｌＮ結晶粒からなり、
さらに、前記ＣｒＡｌＮ層の表面から０．１μｍの深さの水平断面における結晶粒組織を透過型電子顕微鏡で観察した場合、短辺が５〜１００ｎｍであって、アスペクト比が３以上である前記縦長平板状のＣｒＡｌＮ結晶粒が存在し、かつ、前記水平断面において短辺が５〜１００ｎｍであって、アスペクト比が３以上である前記縦長平板状のＣｒＡｌＮ結晶粒が占める面積の合計は、全断面積の３０％以上であることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２） 前記ＣｒＡｌＮ層を、
組成式：（Ｃｒ１−ＸＡｌＸ）Ｎ
で表わした場合、Ｃｒ成分との合量に占めるＡｌ成分の含有割合Ｘが、原子比で０．１０≦Ｘ≦０．７０を満足する前記（１）に記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
The present invention has been made based on the above findings,
“(1) In a surface-coated cutting tool in which a hard coating layer composed of a CrAlN layer having an average layer thickness of 0.2 to 2 μm is physically vapor-deposited on the surface of a tungsten carbide-based cemented carbide tool base,
The CrAlN layer has a height equal to the average layer thickness, and is composed of vertically elongated CrAlN crystal grains grown in an upright direction with respect to the tool base surface,
Further, when the crystal grain structure in a horizontal cross section having a depth of 0.1 μm from the surface of the CrAlN layer is observed with a transmission electron microscope, the longitudinal side having a short side of 5 to 100 nm and an aspect ratio of 3 or more. The total area occupied by the vertically long plate-like CrAlN crystal grains having flat CrAlN crystal grains and having a short side of 5 to 100 nm in the horizontal section and an aspect ratio of 3 or more is A surface-coated cutting tool characterized by being 30% or more of the area.
(2) The CrAlN layer is
Composition formula: (Cr 1-X Al X ) N
The surface-coated cutting tool according to (1), wherein the content ratio X of the Al component in the total amount with the Cr component satisfies 0.10 ≦ X ≦ 0.70 in atomic ratio. "
It has the characteristics.
本発明について、以下に説明する。 The present invention will be described below.
本発明の被覆工具の硬質被覆層を構成する改質ＣｒＡｌＮ層において、Ｃｒ成分は高温強度を向上させ、Ａｌ成分は耐熱性を向上させ、また、Ｎ成分には層の強度を向上させる作用があるため、改質ＣｒＡｌＮ層は、高い硬さとすぐれた耐熱性、強度を具備するようになり、被覆工具の耐摩耗性向上と工具の長寿命化に寄与する。
そして、本発明者等は、ＣｒＡｌＮ層を蒸着形成するための数多くの試験を行った結果、図１に示される圧力勾配型Ａｒプラズマガンを利用したイオンプレーティングにより、工具基体上にＣｒＡｌＮ層を形成する条件を、例えば、
工具基体温度：３９０〜４５０ ℃、
蒸発源：金属Ｃｒおよび金属Ａｌ、
プラズマガン放電電力：１１〜１５ ｋＷ（金属Ｃｒに対して）、
プラズマガン放電電力：８〜１０ ｋＷ（金属Ａｌに対して）、
反応ガス流量：窒素（Ｎ２）ガス １００〜１２０ ｓｃｃｍ、
放電ガス：アルゴン（Ａｒ）ガス ３０〜６０ ｓｃｃｍ、
工具基体に印加する直流バイアス電圧：＋３〜＋５ Ｖ、
ハースと工具基体間の距離：９５０〜１０５０ ｍｍ、
蒸着時間： ３０〜１５０ ｍｉｎ、
という特定の条件に調整して蒸着すると、工具基体表面に対して直立方向に成長した縦長平板状のＣｒＡｌＮ結晶粒からなる改質ＣｒＡｌＮ層が形成されることを見出した。
In the modified CrAlN layer constituting the hard coating layer of the coated tool of the present invention, the Cr component improves the high temperature strength, the Al component improves the heat resistance, and the N component has the effect of improving the layer strength. Therefore, the modified CrAlN layer comes to have high hardness, excellent heat resistance and strength, and contributes to improvement of wear resistance of the coated tool and long tool life.
As a result of performing numerous tests for forming a CrAlN layer by vapor deposition, the present inventors have formed a CrAlN layer on a tool base by ion plating using a pressure gradient type Ar plasma gun shown in FIG. The conditions for forming are, for example,
Tool substrate temperature: 390 to 450 ° C.
Evaporation source: metal Cr and metal Al,
Plasma gun discharge power: 11-15 kW (relative to metal Cr),
Plasma gun discharge power: 8 to 10 kW (relative to metal Al),
Reaction gas flow rate: nitrogen (N 2) gas 100 to 120 sccm,
Discharge gas: Argon (Ar) gas 30-60 sccm,
DC bias voltage applied to the tool base: +3 to +5 V,
Distance between Hearth and tool substrate: 950-1050 mm,
Deposition time: 30-150 min,
It was found that a modified CrAlN layer composed of vertically long plate-like CrAlN crystal grains grown in an upright direction with respect to the tool base surface was formed when the deposition was adjusted to the specific conditions.
この発明の改質ＣｒＡｌＮ層を、
組成式：（Ｃｒ１−ＸＡｌＸ）Ｎ
で表わした場合、Ｃｒ成分との合量に占めるＡｌ成分の含有割合Ｘが原子比で０．１０未満（即ち、０．１０＞Ａｌ／（Ｃｒ＋Ａｌ））では所望の高温硬さと耐熱性を期待することはできず、一方その含有割合Ｘが０．７０を越える（即ち、Ａｌ／（Ｃｒ＋Ａｌ）＞０．７０）と、層自体の強度低下が生じ、耐欠損性を得ることができなくなることから、Ａｌ成分の含有割合Ｘは、原子比で０．１０〜０．７０とすることが望ましい。
The modified CrAlN layer of this invention
Composition formula: (Cr 1-X Al X ) N
When the content ratio X of the Al component in the total amount with the Cr component is less than 0.10 in atomic ratio (that is, 0.10> Al / (Cr + Al)), desired high temperature hardness and heat resistance are expected. On the other hand, if the content ratio X exceeds 0.70 (that is, Al / (Cr + Al)> 0.70), the strength of the layer itself is reduced, and the fracture resistance cannot be obtained. Therefore, the content ratio X of the Al component is desirably 0.10 to 0.70 in terms of atomic ratio.
改質ＣｒＡｌＮ層の組織をより詳細に透過型電子顕微鏡で観察すると、図２の断面斜視図に示すように、改質ＣｒＡｌＮ層の層厚方向の縦断面においては、前記縦長平板状のＣｒＡｌＮ結晶粒の高さが、改質ＣｒＡｌＮ層の層厚を構成している。
また、工具基体表面に平行で、改質ＣｒＡｌＮ層の表面から０．１μｍの深さにある水平断面（即ち、改質ＣｒＡｌＮ層表面から０．１μｍの深さにあり、層厚方向に直交する平面）においては、短辺が５〜１００ｎｍであって、アスペクト比が３以上である矩形状のＣｒＡｌＮ結晶粒が存在する。
しかも、前記水平断面において、前記矩形状のＣｒＡｌＮ結晶粒の面積の合計が占める面積割合は、水平断面の全面積の３０％以上となっている。
When the structure of the modified CrAlN layer is observed in more detail with a transmission electron microscope, as shown in the cross-sectional perspective view of FIG. 2, in the longitudinal section in the layer thickness direction of the modified CrAlN layer, the vertically long plate-like CrAlN crystal The height of the grains constitutes the layer thickness of the modified CrAlN layer.
Further, a horizontal cross section parallel to the tool base surface and at a depth of 0.1 μm from the surface of the modified CrAlN layer (that is, at a depth of 0.1 μm from the surface of the modified CrAlN layer and orthogonal to the layer thickness direction). In the plane), there are rectangular CrAlN crystal grains having a short side of 5 to 100 nm and an aspect ratio of 3 or more.
Moreover, in the horizontal section, the area ratio occupied by the total area of the rectangular CrAlN crystal grains is 30% or more of the total area of the horizontal section.
この改質ＣｒＡｌＮ層の平均層厚（前記縦長平板状のＣｒＡｌＮ結晶粒の高さと同じ）は成膜時間によって大きく影響され、成膜時間が短いため（例えば、３０分未満）に前記ＣｒＡｌＮ結晶粒の高さが０．２μｍに満たないような場合は、耐摩耗性に劣り長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮することはできず、一方、成膜時間が長くなり（例えば、１５０分を超える）、前記ＣｒＡｌＮ結晶粒の高さが２μｍを超えるような場合は、ＣｒＡｌＮ結晶粒が粗大化し、表面平滑性が失われ、チッピングが生じ易くなる。
したがって、改質ＣｒＡｌＮ層の平均層厚（＝前記縦長平板状のＣｒＡｌＮ結晶粒の高さ）は、０．２〜２μｍと定める。
The average layer thickness of the modified CrAlN layer (same as the height of the vertically long plate-like CrAlN crystal grains) is greatly influenced by the film formation time, and because the film formation time is short (for example, less than 30 minutes), the CrAlN crystal grains Is less than 0.2 μm, it is inferior in wear resistance and cannot exhibit excellent cutting performance over a long period of use, while the film formation time becomes long (for example, 150 When the height of the CrAlN crystal grains exceeds 2 μm, the CrAlN crystal grains become coarse, surface smoothness is lost, and chipping is likely to occur.
Therefore, the average layer thickness of the modified CrAlN layer (= the height of the vertically long plate-like CrAlN crystal grains) is set to 0.2 to 2 μm.
また、この改質ＣｒＡｌＮ層の表面から０．１μｍの深さにある水平断面に存在する矩形状のＣｒＡｌＮ結晶粒の短辺が５ｎｍ未満では、結晶粒自体の靭性を発揮できず、一方、短辺が１００ｎｍを超えると、結晶粒が粗大になり複雑に入り組んだ結晶粒界を導入できなくなることから、前記矩形状のＣｒＡｌＮ結晶粒の短辺は５〜１００ｎｍと定める。
なお、この発明でいう「短辺」とは、改質ＣｒＡｌＮ層の表面から０．１μｍの深さにある水平断面に存在する個々のＣｒＡｌＮ結晶粒について、そのサイズを透過型電子顕微鏡により測定し、個々の結晶粒の測定された最大径を示す線分を長辺とした場合に、長辺方向に対して垂直な方向における最大幅をいう。
Further, if the short side of the rectangular CrAlN crystal grains present in the horizontal cross section at a depth of 0.1 μm from the surface of the modified CrAlN layer is less than 5 nm, the toughness of the crystal grains themselves cannot be exhibited, If the side exceeds 100 nm, the crystal grain becomes coarse and complicated crystal grain boundaries cannot be introduced. Therefore, the short side of the rectangular CrAlN crystal grain is set to 5 to 100 nm.
The “short side” in the present invention refers to the size of individual CrAlN crystal grains present in a horizontal section at a depth of 0.1 μm from the surface of the modified CrAlN layer, measured by a transmission electron microscope. The maximum width in the direction perpendicular to the long-side direction when the line segment indicating the measured maximum diameter of each crystal grain is the long side.
また、この改質ＣｒＡｌＮ層の表面から０．１μｍの深さにある水平断面に存在する矩形状のＣｒＡｌＮ結晶粒のアスペクト比が３未満では、水平断面内での結晶粒の形が等方的になり、複雑に入り組んだ結晶粒界を導入できなくなることから、前記矩形状のＣｒＡｌＮ結晶粒のアスペクト比は３以上と定める。
なお、ここでいう「アスペクト比」とは、前記個々の結晶粒の測定された最大径を示す線分である長辺の値を、前記短辺の値で除した値である。
In addition, when the aspect ratio of the rectangular CrAlN crystal grains present in the horizontal section at a depth of 0.1 μm from the surface of the modified CrAlN layer is less than 3, the shape of the crystal grains in the horizontal section is isotropic. Therefore, it becomes impossible to introduce complicated grain boundaries, so the aspect ratio of the rectangular CrAlN crystal grains is determined to be 3 or more.
Here, the “aspect ratio” is a value obtained by dividing the value of the long side, which is a line segment indicating the measured maximum diameter of each crystal grain, by the value of the short side.
また、この改質ＣｒＡｌＮ層の表面から０．１μｍの深さにある水平断面に存在する矩形状のＣｒＡｌＮ結晶粒の面積割合が、測定した水平断面の全面積の３０％未満であるような場合は、クラックの進展経路が複雑でなくなりクラックの進展に対する抵抗力が十分に得られずチッピングを生じやすくなることから、前記矩形状のＣｒＡｌＮ結晶粒面積割合は３０％以上とする。 Also, when the area ratio of the rectangular CrAlN crystal grains present in the horizontal cross section at a depth of 0.1 μm from the surface of the modified CrAlN layer is less than 30% of the total area of the measured horizontal cross section Since the crack propagation path is not complicated and sufficient resistance to crack propagation is not obtained and chipping is likely to occur, the rectangular CrAlN crystal grain area ratio is set to 30% or more.
改質ＣｒＡｌＮ層の表面から０．１μｍの深さにある水平断面に存在する矩形状のＣｒＡｌＮ結晶粒の短辺の値、アスペクト比の値および面積割合は、改質ＣｒＡｌＮ層の蒸着条件の内のそれぞれ、成膜時間、成膜温度および印加する直流バイアス電圧、成膜温度および印加する直流バイアス電圧によって影響を受けるので、矩形状のＣｒＡｌＮ結晶粒の短辺の値、アスペクト比の値および面積割合を所定の数値範囲に維持するためには、前記蒸着条件のうち、特に、成膜時間、成膜温度、印加する直流バイアス電圧については厳密に調整しなければならない。 The short side value, aspect ratio value, and area ratio of the rectangular CrAlN crystal grains present in the horizontal cross section at a depth of 0.1 μm from the surface of the modified CrAlN layer are included in the deposition conditions of the modified CrAlN layer. Are affected by the film formation time, the film formation temperature and the applied DC bias voltage, the film formation temperature and the applied DC bias voltage, respectively, so that the short side value, aspect ratio value and area of the rectangular CrAlN crystal grains are affected. In order to maintain the ratio within a predetermined numerical range, it is necessary to strictly adjust the deposition time, the deposition temperature, and the applied DC bias voltage among the deposition conditions.
この発明の被覆工具は、硬質被覆層を構成する改質ＣｒＡｌＮ層が、工具基体表面に対して直立方向に成長した縦長平板状のＣｒＡｌＮ結晶粒からなり、さらに、前記改質ＣｒＡｌＮ層の表面から０．１μｍの深さの水平断面において、短辺が５〜１００ｎｍであって、アスペクト比が３以上である前記縦長平板状のＣｒＡｌＮ結晶粒が存在し、かつ、該縦長平板状のＣｒＡｌＮ結晶粒が占める面積の合計は、全断面積の３０％以上である結晶粒組織を備えることから、改質ＣｒＡｌＮ層の曲げ抵抗が大になり耐塑性変形性が向上するとともに、切刃に対して断続的・衝撃的負荷が作用する高送り、高切り込みの断続重切削加工において硬質被覆層にクラックが発生した場合でも、結晶粒界が複雑に入り組み形成されていることから、クラックの進展に対する抵抗性が増し、その結果、すぐれた高温硬さ、耐熱性、高温強度に加えて耐欠損性が改善され、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮し、工具寿命の延命化が図られるのである。 In the coated tool of the present invention, the modified CrAlN layer constituting the hard coating layer is composed of vertically long plate-like CrAlN crystal grains grown in an upright direction with respect to the tool base surface, and further from the surface of the modified CrAlN layer. In the horizontal cross section having a depth of 0.1 μm, the vertically long plate-like CrAlN crystal grains having a short side of 5 to 100 nm and an aspect ratio of 3 or more exist, and the vertically long plate-like CrAlN crystal grains Since the total area occupied by the crystallized structure is 30% or more of the total cross-sectional area, the bending resistance of the modified CrAlN layer is increased, the plastic deformation resistance is improved, and the cutting edge is interrupted. Even when cracks occur in the hard coating layer during intermittent feed cutting with high feed and high depth of cut that are subject to mechanical and impact loads, the As a result, in addition to excellent high-temperature hardness, heat resistance, and high-temperature strength, chipping resistance is improved, and excellent cutting performance is demonstrated over long-term use, extending tool life. Is achieved.
つぎに、この発明の被覆工具を実施例により具体的に説明する。
なお、ここでは被覆インサートを中心にして説明するが、被覆インサートに限らず、被覆エンドミル、被覆ドリル等の各種の被覆工具に適用できるものである。
Next, the coated tool of the present invention will be specifically described with reference to examples.
In addition, although demonstrated centering on a covering insert here, it is applicable not only to a covering insert but to various covering tools, such as a covering end mill and a covering drill.
原料粉末として、いずれも１〜３μｍの平均粒径を有するＷＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＶＣ粉末、Ｃｒ3 Ｃ2 粉末、およびＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を、表１に示される配合組成に配合し、ボールミルで７２時間湿式混合し、乾燥した後、１００ＭＰａ の圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を６Ｐａの真空中、温度：１４００℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０３のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＳＥＥＮ１２０３のインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体１〜１０を形成した。
As raw material powders, WC powder, TiC powder, VC powder, Cr 3 C 2 powder, and Co powder each having an average particle diameter of 1 to 3 μm are prepared, and these raw material powders are mixed in the composition shown in Table 1. Compounded, wet mixed in a ball mill for 72 hours, dried, and then pressed into a green compact at a pressure of 100 MPa. The green compact was sintered in a 6 Pa vacuum at a temperature of 1400 ° C. for 1 hour. After sintering, honing of R: 0.03 was applied to the cutting edge portion to form
ついで、前記工具基体１〜１０を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図１に示される圧力勾配型Ａｒプラズマガンを利用したイオンプレーティング装置に装着し、蒸発源として、金属Ｃｒおよび金属Ａｌを装着し、まず、装置内を排気して１．０×１０−３Ｐａ以下の真空に保持しながらヒーターで装置内を３９０〜４５０℃に加熱した後、Ａｒガスを導入して２．３×１０−２Ｐａとしたのち、圧力勾配型プラズマガンの放電電力を２ｋＷとし、装置内にＡｒイオンを発生させて、工具基体に−２００Ｖのバイアス電圧を印加することによって、前記工具基体を１０分間Ａｒボンバード処理し、ついで、装置内を一旦１×１０−３Ｐａ程度の真空にした後、圧力勾配型Ａｒプラズマガンの放電電力を１２ｋＷとし、Ａｒガスを４５ｓｃｃｍ，窒素ガスを１００ｓｃｃｍ流しながら、炉内の圧力を３×１０−２〜６×１０−２Ｐａに保ち、蒸発源にプラズマビームを入射し金属Ｃｒおよび金属Ａｌの蒸気を発生させるとともにプラズマビームでイオン化して、蒸発源の上部１０００ｍｍに固定された工具基体表面に、表３に示される目標層厚の改質ＣｒＡｌＮ層を硬質被覆層として蒸着形成することにより、本発明被覆工具としての本発明表面被覆インサート（以下、本発明インサートという）１〜１０を製造した。
なお、表２に、本発明インサート１〜１０の改質ＣｒＡｌＮ層の形成条件である圧力勾配型Ａｒプラズマガンを利用したイオンプレーティングの各種条件を一覧で示す。
Next, the
Table 2 shows a list of various conditions for ion plating using a pressure gradient type Ar plasma gun, which are conditions for forming the modified CrAlN layer of the
比較のため、前記工具基体Ａ１〜Ａ１０について、通常のアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）法によって、以下の条件で、表５に示される目標層厚の従来ＣｒＡｌＮ層を蒸着形成することにより、比較例表面被覆インサート（以下、比較例インサートという）１〜１０を製造した。
装置内加熱温度：３９０〜４５０℃、
工具基体に印加する直流バイアス電圧：−２０〜−５０Ｖ、
カソード電極：Ｃｒ−Ａｌ合金、
アーク放電電流：１００〜１２０Ａ、
装置内ガス：窒素（Ｎ２）ガス、
装置内窒素ガス圧力：１〜５Ｐａ、
なお、表４に、比較例インサート１〜１０の従来ＣｒＡｌＮ層の形成条件であるアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）の各種条件を一覧で示す。
For comparison, a comparative CrAlN layer having a target layer thickness shown in Table 5 is formed by vapor deposition on the tool bases A1 to A10 under the following conditions by a normal arc ion plating (AIP) method. Surface-coated inserts (hereinafter referred to as comparative example inserts) 1 to 10 were produced.
In-apparatus heating temperature: 390 to 450 ° C.,
DC bias voltage applied to the tool base: -20 to -50V,
Cathode electrode: Cr-Al alloy,
Arc discharge current: 100-120A
In-apparatus gas: Nitrogen (N 2 ) gas,
Nitrogen gas pressure in the apparatus: 1 to 5 Pa,
Table 4 shows a list of various conditions of arc ion plating (AIP), which is a condition for forming the conventional CrAlN layer of Comparative Example Inserts 1 to 10.
ついで、本発明インサート１〜１０および比較例インサート１〜１０の各硬質被覆層について、透過型電子顕微鏡を用いて結晶粒組織の状態を観察した。
表３，５に、その観察結果を示す。
表３によれば、本発明インサート１〜１０では、改質ＣｒＡｌＮ層の平均層厚と等しい高さの縦長平板状のＣｒＡｌＮ結晶粒が、工具基体表面に対して直立方向に成長しており、ＣｒＡｌＮ層の表面から０．１μｍの深さの水平断面について透過型電子顕微鏡を用いて観察・測定したところ、短辺が５〜１００ｎｍ、アスペクト比が３以上であり、かつ、該水平断面における合計面積が、全断面積の３０％以上である縦長平板状のＣｒＡｌＮ結晶粒が存在することが確認された。
図３に、一例として、本発明インサート１の改質ＣｒＡｌＮ層の表面から０．１μｍの深さの水平断面におけるＣｒＡｌＮ結晶粒の組織模式図を示す。
Subsequently, the state of the crystal grain structure was observed using the transmission electron microscope about each hard coating layer of this invention insert 1-10 and comparative example insert 1-10.
Tables 3 and 5 show the observation results.
According to Table 3, in the
FIG. 3 shows, as an example, a schematic structure diagram of CrAlN crystal grains in a horizontal cross section having a depth of 0.1 μm from the surface of the modified CrAlN layer of the
これに対して、表５から、ＣｒＡｌＮ層を通常のアークイオンプレーティング法により成膜した比較例インサート１〜１０においては、従来ＣｒＡｌＮ層の平均層厚と等しい高さの柱状のＣｒＡｌＮ結晶粒が工具基体表面に対して直立方向に成長しており、ＣｒＡｌＮ層の表面から０．１μｍの高さの水平断面につて透過型電子顕微鏡を用いて観察・測定したところ、観測面の大部分をアスペクト比が２未満の粒により構成されており、アスペクト比が３以上の粒子の存在は確認されないことが分かる。 On the other hand, from Table 5, in Comparative Example Inserts 1 to 10 in which the CrAlN layer was formed by a normal arc ion plating method, columnar CrAlN crystal grains having a height equal to the average layer thickness of the conventional CrAlN layer are Growing in the upright direction with respect to the surface of the tool base, a horizontal cross section 0.1 μm high from the surface of the CrAlN layer was observed and measured using a transmission electron microscope. It is understood that the presence of particles having an aspect ratio of 3 or more is not confirmed because the particles are composed of particles having a ratio of less than 2.
つぎに、本発明インサート１〜１０および比較例インサート１〜１０について、これを工具鋼製カッタの先端部に固定治具にてネジ止めした状態で、
被削材：平面寸法 １００ｍｍ×２５０ｍｍ 厚さ５０ｍｍのＪＩＳ・Ｓ３５Ｃの板材、
切削速度： ３００ｍ／ｍｉｎ．、
一刃あたりの送り： ０．４０ｍｍ／刃、
切削時間： ２分、
の条件（切削条件１という）での炭素鋼の乾式高速高送り切削加工試験（通常の切削速度及びテーブル送りは、それぞれ、２００ｍ／ｍｉｎ．、０．２５ｍｍ／刃．）、
被削材：平面寸法 １００ｍｍ×２５０ｍｍ 厚さ５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の板材、
切削速度： ２５０ｍ／ｍｉｎ．、
一刃あたりの送り： ０．３５ｍｍ／刃、
切削時間： ２分、
の条件（切削条件２という）での合金鋼の乾式高速高送り切削加工試験（通常の切り込み及び送りは、それぞれ、１７０ｍ／ｍｉｎ．、０．２５ｍｍ／刃．）、
被削材：平面寸法 １００ｍｍ×２５０ｍｍ 厚さ５０ｍｍのＪＩＳ・ＳＳ４００の板材、
切削速度： ３００ｍ／ｍｉｎ．、
一刃あたりの送り： ０．４０ｍｍ／刃、
切削時間： ２分、
の条件（切削条件３という）での軟鋼の乾式高速高送り切削加工試験（通常の切り込み及び送りは、それぞれ、２５０ｍ／ｍｉｎ．、０．３０ｍｍ／刃．）、
を行い、いずれの切削加工試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
この測定結果を表６に示した。
Next, for the present invention inserts 1 to 10 and comparative example inserts 1 to 10, in a state where this is screwed to the tip of the tool steel cutter with a fixing jig,
Work material: Plane dimensions 100mm x 250mm JIS S35C plate material with a thickness of 50mm,
Cutting speed: 300 m / min. ,
Feed per tooth: 0.40 mm / tooth,
Cutting time: 2 minutes
Carbon steel dry high-speed high-feed cutting test under normal conditions (referred to as cutting condition 1) (normal cutting speed and table feed are 200 m / min. And 0.25 mm / tooth, respectively),
Work material: Plane dimensions 100 mm x 250 mm JIS / SCM440 plate material with a thickness of 50 mm,
Cutting speed: 250 m / min. ,
Feed per tooth: 0.35 mm / tooth,
Cutting time: 2 minutes
Dry high-speed high-feed cutting test of alloy steel under the following conditions (referred to as cutting condition 2) (normal cutting and feeding are 170 m / min. And 0.25 mm / blade, respectively),
Work material: Plane dimensions 100 mm x 250 mm JIS / SS400 plate material with a thickness of 50 mm,
Cutting speed: 300 m / min. ,
Feed per tooth: 0.40 mm / tooth,
Cutting time: 2 minutes
Dry high-speed high-feed cutting test of mild steel under the following conditions (referred to as cutting condition 3) (normal cutting and feeding are 250 m / min. And 0.30 mm / tooth, respectively),
In each cutting test, the flank wear width of the cutting edge was measured.
The measurement results are shown in Table 6.
表３，５，６に示される結果から、本発明インサート１〜１０は、いずれも硬質被覆層を構成する改質ＣｒＡｌＮ層が０．２〜２μｍの平均層厚を有するとともに、工具基体表面に対して直立方向に平均層厚と同じ高さの縦長平板状のＣｒＡｌＮ結晶粒組織が形成されており、さらに、前記改質ＣｒＡｌＮ層の表面から０．１μｍの深さの水平断面において、短辺が５〜１００ｎｍであって、アスペクト比が３以上である前記縦長平板状のＣｒＡｌＮ結晶粒が存在し、かつ、該縦長平板状のＣｒＡｌＮ結晶粒が占める面積の合計は、全断面積の３０％以上である結晶粒組織を備えることから、改質ＣｒＡｌＮ層の曲げ抵抗性が増し、耐塑性変形性が向上するとともに、切刃に対して断続的・衝撃的負荷が作用する高送り、高切り込みの断続重切削加工において硬質被覆層にクラックが発生した場合でも、結晶粒界が複雑に入り組み形成されていることから、クラックの進展に対する抵抗性が増し、その結果、すぐれた高温硬さ、耐熱性、高温強度に加えて耐欠損性が改善され、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮し、工具寿命の延命化が図られているのである。
From the results shown in Tables 3, 5 and 6, in the
これに対して、比較例インサート１〜１０においては、従来ＣｒＡｌＮ層における結晶粒はアスペクト比が低く、結晶粒界が複雑に入り組んで形成されておらず、クラックの進展に対する抵抗力が弱いため、断続切削加工においては、欠損等により比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。 On the other hand, in Comparative Example Inserts 1-10, the crystal grains in the conventional CrAlN layer have a low aspect ratio, the crystal grain boundaries are not formed in a complicated manner, and the resistance to the progress of cracks is weak, In intermittent cutting, it is clear that the service life is reached in a relatively short time due to defects or the like.
上述のように、この発明の被覆工具は、硬質被覆層（改質ＣｒＡｌＮ層）が、特定の短径、アスペクト比、面積割合を有する縦長平板状のＣｒＡｌＮ結晶粒組織として形成されていることから、優れた耐欠損性を備えており、そして、この優れた切削性能は、実施例において示した被覆インサートばかりでなく、被覆エンドミル、被覆ドリル等の各種被覆工具においても、長期の使用に亘って発揮されるものである。 As described above, in the coated tool of the present invention, the hard coating layer (modified CrAlN layer) is formed as a vertically long plate-like CrAlN grain structure having a specific short diameter, aspect ratio, and area ratio. In addition to the coated inserts shown in the examples, this excellent cutting performance is not only applied to various coated tools such as coated end mills and coated drills over a long period of use. It is demonstrated.
Claims (2)
前記ＣｒＡｌＮ層が、前記平均層厚と等しい高さを有し、かつ、前記工具基体表面に対して直立方向に成長した縦長平板状のＣｒＡｌＮ結晶粒からなり、
さらに、前記ＣｒＡｌＮ層の表面から０．１μｍの深さの水平断面における結晶粒組織を透過型電子顕微鏡で観察した場合、短辺が５〜１００ｎｍであって、アスペクト比が３以上である前記縦長平板状のＣｒＡｌＮ結晶粒が存在し、かつ、前記水平断面において短辺が５〜１００ｎｍであって、アスペクト比が３以上である前記縦長平板状のＣｒＡｌＮ結晶粒が占める面積の合計は、全断面積の３０％以上であることを特徴とする表面被覆切削工具。 In a surface-coated cutting tool in which a hard coating layer composed of a CrAlN layer having an average layer thickness of 0.2 to 2 μm is physically vapor-deposited on the surface of a tungsten carbide-based cemented carbide tool base,
The CrAlN layer has a height equal to the average layer thickness, and is composed of vertically elongated CrAlN crystal grains grown in an upright direction with respect to the tool base surface,
Further, when the crystal grain structure in a horizontal cross section having a depth of 0.1 μm from the surface of the CrAlN layer is observed with a transmission electron microscope, the longitudinal side having a short side of 5 to 100 nm and an aspect ratio of 3 or more. The total area occupied by the vertically long plate-like CrAlN crystal grains having flat CrAlN crystal grains and having a short side of 5 to 100 nm in the horizontal section and an aspect ratio of 3 or more is A surface-coated cutting tool characterized by being 30% or more of the area.
組成式：（Ｃｒ１−ＸＡｌＸ）Ｎ
で表わした場合、Ｃｒ成分との合量に占めるＡｌ成分の含有割合Ｘが、原子比で０．１０≦Ｘ≦０．７０を満足する請求項１に記載の表面被覆切削工具。
The CrAlN layer,
Composition formula: (Cr 1-X Al X ) N
2. The surface-coated cutting tool according to claim 1, wherein the content ratio X of the Al component in the total amount with the Cr component satisfies 0.10 ≦ X ≦ 0.70 in atomic ratio.
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