JP5922546B2 - Cutting tools - Google Patents

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Description

本発明は基体の表面に被覆層が成膜されている切削工具に関する。   The present invention relates to a cutting tool having a coating layer formed on the surface of a substrate.

現在、切削工具や耐摩部材、摺動部材といった耐摩耗性や摺動性、耐欠損性を必要とする部材では、超硬合金やサーメット等の焼結合金、ダイヤモンドやcBN(立方晶窒化硼素)の高硬度焼結体、アルミナや窒化珪素等のセラミックスからなる基体の表面に被覆層を成膜して、耐摩耗性、摺動性または耐欠損性を向上させる手法が使われている。   Currently, for members that require wear resistance, slidability, and fracture resistance, such as cutting tools, wear-resistant members, and sliding members, sintered alloys such as cemented carbide and cermet, diamond, and cBN (cubic boron nitride) A method of improving the wear resistance, slidability or fracture resistance by forming a coating layer on the surface of a high hardness sintered body or a substrate made of a ceramic such as alumina or silicon nitride is used.

また、上記物理蒸着法としてイオンプレーティング法やスパッタリング法を用いて成膜されるTiやAlを主成分とする窒化物からなる被覆層が盛んに研究されており、工具寿命を延命させるための改良が続けられている。これら表面被覆工具は、切削速度の高速化を初めとする切削環境の変化、被削材の多様化に対応するため、被覆材料元素以外にも様々な工夫が施されてきている。   In addition, a coating layer made of a nitride mainly composed of Ti or Al, which is formed by using an ion plating method or a sputtering method as the physical vapor deposition method, has been actively researched to extend the tool life. Improvements continue. These surface-coated tools have been devised in addition to the covering material elements in order to cope with changes in the cutting environment such as an increase in cutting speed and diversification of work materials.

例えば、特許文献1や特許文献2では、イオンプレーティング法にて基体の表面にTiAlN等の被膜を被覆した表面被覆工具において、成膜中に印加する負のバイアスの絶対値を成膜初期よりも成膜後期で高めることによって、Tiの含有比率を平坦部よりも切刃で多くした被覆膜が開示されている。   For example, in Patent Document 1 and Patent Document 2, in the surface coating tool in which the surface of the substrate is coated with a film such as TiAlN by the ion plating method, the absolute value of the negative bias applied during film formation is determined from the initial film formation. Also, a coating film is disclosed in which the Ti content ratio is increased by the cutting blade rather than the flat portion by increasing it at a later stage of film formation.

特開平01−190383号公報Japanese Patent Laid-Open No. 01-190383 特開平08−267306号公報Japanese Patent Laid-Open No. 08-267306

しかしながら、特許文献1や特許文献2に記載された切刃におけるTiの含有比率を高くしたTiAlN膜の構成でも、加工の形態によっては切刃において突発欠損や急激な摩耗が進行する場合があった。   However, even in the configuration of the TiAlN film having a high Ti content in the cutting blades described in Patent Document 1 and Patent Document 2, depending on the form of processing, sudden breakage or rapid wear may occur in the cutting blade. .

本発明は上記課題を解決するためのものであり、その目的は、局所ごとに最適な切削性能を発揮できる被覆層を備えた切削工具を提供することにある。   This invention is for solving the said subject, The objective is to provide the cutting tool provided with the coating layer which can exhibit the optimal cutting performance for every local.

本発明の切削工具は、基体の表面に、Al1−a(C1−x)(ただし、MはTi、Cr、Si、W、Mo、Ta、Hf、Nb、ZrおよびYから選ばれる少なくとも1種、0.2≦a≦0.65、0≦x≦1)からなる被覆層を被覆してなるとともに、すくい面と逃げ面との交差稜線に切刃を有しており、前記切刃における前記被覆層中のAl含有比率が前記逃げ面における前記被覆層中のAl含有比率よりも高いものである。 The cutting tool of the present invention has Al a M 1-a (C 1-x N x ) (where M is Ti, Cr, Si, W, Mo, Ta, Hf, Nb, Zr and Y on the surface of the substrate). At least one selected from the group consisting of 0.2 ≦ a ≦ 0.65 and 0 ≦ x ≦ 1), and has a cutting edge at the intersection ridgeline between the rake face and the flank face The Al content ratio in the coating layer at the cutting edge is higher than the Al content ratio in the coating layer at the flank.

本発明の切削工具によれば、基体の表面を覆うAlを含有する被覆層が、切刃のほうが逃げ面よりも被覆層中のAl含有比率が高い構成となっている。これによって、切刃における被覆層の耐酸化性を向上させることができる。その結果、フライス工具、ドリル、エンドミル等の回転工具を用いて切刃の温度が高くなるような過酷な切削条件で切削加工する場合でも、従来の切削工具でしばしば発生していた切刃の境界における突発欠損や急激
な摩耗の進行を抑制できる。しかも、逃げ面における機械的なこすれ摩耗も抑制することができるために、工具寿命が延びる。
According to the cutting tool of the present invention, the coating layer containing Al covering the surface of the substrate has a configuration in which the cutting blade has a higher Al content ratio in the coating layer than the flank. Thereby, the oxidation resistance of the coating layer in a cutting blade can be improved. As a result, even when cutting with severe cutting conditions such as milling tools, drills, end mills, etc., where the temperature of the cutting edge is high, the cutting edge boundary that often occurs with conventional cutting tools It is possible to suppress sudden defects and sudden wear. In addition, since mechanical rubbing wear on the flank can be suppressed, the tool life is extended.

本発明の切削工具の一例を示し、(a)概略斜視図、(b)(a)のX−X断面図である。An example of the cutting tool of this invention is shown, (a) Schematic perspective view, (b) It is XX sectional drawing of (a). 図1の切削工具の被覆層の一例についての要部拡大図である。It is a principal part enlarged view about an example of the coating layer of the cutting tool of FIG.

本発明の切削工具についての好適な実施態様例である図1((a)概略斜視図、(b)(a)のX−X断面図)を用いて説明する。
図1によれば、切削工具1は、主面にすくい面3を、側面に逃げ面4を、すくい面3と逃げ面4との交差稜線に切刃5を有し、基体2の表面に被覆層6を具備している。
It demonstrates using FIG. 1 ((a) schematic perspective view, XX sectional drawing of (b) (a)) which is a suitable embodiment example about the cutting tool of this invention.
According to FIG. 1, a cutting tool 1 has a rake face 3 on a main surface, a flank face 4 on a side face, and a cutting edge 5 on a cross ridge line between the rake face 3 and the flank face 4. A coating layer 6 is provided.

被覆層6は、Al1−a(C1−x)(ただし、MはTi、Cr、Si、W、Mo、Ta、Hf、Nb、ZrおよびYから選ばれる少なくとも1種、0.2≦a≦0.65、0≦x≦1)からなる。 The coating layer 6 is Al a M 1-a (C 1-x N x ) (where M is at least one selected from Ti, Cr, Si, W, Mo, Ta, Hf, Nb, Zr and Y, 0.2 ≦ a ≦ 0.65, 0 ≦ x ≦ 1).

図1に示す切削工具1は、切刃5における被覆層6中のAl含有比率が逃げ面4における被覆層6中のAl含有比率よりも高く、本実施態様では、逃げ面4から切刃5に向かって被覆層6中のAl含有比率が漸次高くなっている。これによって、切刃5における被覆層6の耐酸化性を高めることができ、回転工具の過酷な切削条件における切刃5の境界での突発欠損や急激な摩耗の進行を抑制できる。しかも、逃げ面4におけるこすれ摩耗の進行も抑制することができる。   In the cutting tool 1 shown in FIG. 1, the Al content in the coating layer 6 in the cutting edge 5 is higher than the Al content in the coating layer 6 in the flank 4. Toward, the Al content ratio in the coating layer 6 is gradually increased. As a result, the oxidation resistance of the coating layer 6 in the cutting edge 5 can be enhanced, and sudden breakage at the boundary of the cutting edge 5 and the rapid progress of wear can be suppressed under the severe cutting conditions of the rotary tool. Moreover, the progress of rubbing wear on the flank 4 can be suppressed.

なお、切刃5における被覆層6の具体的な組成は、Al1−a(C1−x)(ただし、MはTi、Cr、Si、W、Mo、Ta、Hf、Nb、ZrおよびYから選ばれる少なくとも1種、0.2≦a≦0.65、0≦x≦1)からなる。被覆層6において、a(金属Al組成比率)が0.2よりも小さいと被覆層6の耐酸化性および耐摩耗性が低
下する。逆に、a(金属Al組成比率)が0.65よりも大きいと、被覆層6を構成する
結晶の結晶構造が立方晶から六方晶に変化して被覆層6の耐摩耗性が低下する。aの特に望ましい範囲は0.4≦a≦0.63であり、さらに望ましくは0.52≦a≦0.60である。
The specific composition of the coating layer 6 in the cutting edge 5 is Al a M 1-a (C 1-x N x ) (where M is Ti, Cr, Si, W, Mo, Ta, Hf, Nb) , Zr and Y, 0.2 ≦ a ≦ 0.65, 0 ≦ x ≦ 1). In the coating layer 6, when a (metal Al composition ratio) is smaller than 0.2, the oxidation resistance and wear resistance of the coating layer 6 are lowered. On the other hand, when a (metal Al composition ratio) is larger than 0.65, the crystal structure of the crystals constituting the coating layer 6 changes from cubic to hexagonal and the wear resistance of the coating layer 6 decreases. A particularly desirable range of a is 0.4 ≦ a ≦ 0.63, and more desirably 0.52 ≦ a ≦ 0.60.

なお、金属MはTi、Cr、Si、W、Mo、Ta、Hf、Nb、Zr、Yから選ばれる1種以上であるが、中でもTi、Cr、Si、Nb、MoおよびWの1種以上を含有すると硬度に優れて、耐摩耗性に優れる。さらにその中でも、金属MがTi、Cr、NbまたはSiの1種以上を含有すると、高温での耐酸化性に優れるために、例えば、フライス工具、ドリルまたはエンドミル等の回転工具を用いて過酷な切削条件で切削加工した場合においても切刃5の境界部での突発欠損や急激な摩耗の進行を抑制できる。   The metal M is at least one selected from Ti, Cr, Si, W, Mo, Ta, Hf, Nb, Zr, and Y. Among them, at least one of Ti, Cr, Si, Nb, Mo, and W is used. When it contains, it is excellent in hardness and excellent in wear resistance. Further, among them, when the metal M contains one or more of Ti, Cr, Nb, or Si, it is excellent in oxidation resistance at high temperatures. For example, it is harsh using a rotary tool such as a milling tool, a drill, or an end mill. Even when the cutting is performed under the cutting conditions, it is possible to suppress the sudden defect and the rapid progress of wear at the boundary portion of the cutting edge 5.

また、本実施態様における切刃5における被覆層6のより具体的な組成を例示すると、AlTiCrNb(C1−x)(0.2≦a≦0.65、0.25≦b≦0.8、0≦c≦0.4、0≦d≦0.25、0≦e≦0.25、a+b+c+d+e=1、0≦x≦1)である。被覆層6がこの組成範囲になることによって、被覆層6は酸化開始温度が高くなって耐酸化性が高くなる。ここで、c>0、すなわち被覆層6がCrを含有する場合には被覆層6の耐溶着性が向上する。d>0、すなわち被覆層6がNbを含有する場合には被覆層6の酸化開始温度が高くなって耐酸化性が向上する。e>0、すなわち被覆層6がWを含有する場合には被覆層6に内在する内部応力を低減することができて、被覆層6の耐欠損性が向上する。しかも、被覆層6は硬度が高く、かつ基体2との
密着性も高いものである。そのため、回転工具の過酷な切削条件においても、切刃5の境界部での突発欠損や急激な摩耗の進行を抑制できる。
Further, To illustrate a more specific composition of the coating layer 6 in the cutting edge 5 in the present embodiment, Al a Ti b Cr c Nb d W e (C 1-x N x) (0.2 ≦ a ≦ 0. 65, 0.25 ≦ b ≦ 0.8, 0 ≦ c ≦ 0.4, 0 ≦ d ≦ 0.25, 0 ≦ e ≦ 0.25, a + b + c + d + e = 1, 0 ≦ x ≦ 1). When the coating layer 6 is within this composition range, the coating layer 6 has a higher oxidation start temperature and higher oxidation resistance. Here, when c> 0, that is, when the coating layer 6 contains Cr, the welding resistance of the coating layer 6 is improved. When d> 0, that is, when the coating layer 6 contains Nb, the oxidation start temperature of the coating layer 6 is increased and the oxidation resistance is improved. When e> 0, that is, when the coating layer 6 contains W, internal stress inherent in the coating layer 6 can be reduced, and the fracture resistance of the coating layer 6 is improved. Moreover, the coating layer 6 has high hardness and high adhesion to the substrate 2. For this reason, even under severe cutting conditions of the rotary tool, it is possible to suppress the sudden breakage at the boundary portion of the cutting blade 5 and the rapid progress of wear.

ここで、b(Ti組成比率)が0.3以上であると、被覆層6の結晶構造が立方晶から六方晶へ変化して硬度が低下することなく、耐摩耗性が高い。b(Ti組成比率)が0.8以下であると、被覆層6の耐酸化性および耐熱性が高い。bの特に望ましい範囲は0.25≦b≦0.51である。c(Cr組成比)が0.4以下であると被覆層6の耐溶着性が向上するとともに耐欠損性が向上する。cの特に望ましい範囲は0.03≦c≦0.2である。d(Nb組成比率)が0.25以下であると被覆層6の耐酸化性および硬度が低
下することなく耐摩耗性が高い。dの特に望ましい範囲は0.01≦d≦0.2である。e(W組成比率)が0.25以下であると被覆層6の耐酸化性および硬度が低下すること
なく耐摩耗性が高い。eの特に望ましい範囲は0.01≦e≦0.1である。
Here, when b (Ti composition ratio) is 0.3 or more, the crystal structure of the coating layer 6 is changed from cubic to hexagonal, and the hardness is not lowered and the wear resistance is high. When b (Ti composition ratio) is 0.8 or less, the coating layer 6 has high oxidation resistance and heat resistance. A particularly desirable range of b is 0.25 ≦ b ≦ 0.51. When c (Cr composition ratio) is 0.4 or less, the welding resistance of the coating layer 6 is improved and the fracture resistance is improved. A particularly desirable range for c is 0.03 ≦ c ≦ 0.2. When d (Nb composition ratio) is 0.25 or less, the oxidation resistance and hardness of the coating layer 6 are not lowered and the wear resistance is high. A particularly desirable range of d is 0.01 ≦ d ≦ 0.2. When e (W composition ratio) is 0.25 or less, the oxidation resistance and hardness of the coating layer 6 are not lowered and the wear resistance is high. A particularly desirable range of e is 0.01 ≦ e ≦ 0.1.

また、被覆層6の非金属成分であるC、Nは切削工具に必要な硬度および靭性に優れたものであり、本実施態様では、x(N組成比率)は0.9≦x≦1である。ここで、本発明によれば、上記被覆層6の組成は、エネルギー分散型X線分光分析法(EDX)またはX線光電子分光分析法(XPS)にて測定できる。   Further, C and N which are non-metallic components of the coating layer 6 are excellent in hardness and toughness required for the cutting tool. In this embodiment, x (N composition ratio) is 0.9 ≦ x ≦ 1. is there. Here, according to the present invention, the composition of the coating layer 6 can be measured by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) or X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).

ここで、本実施態様においては、切刃5における被覆層6中のAl含有比率がすくい面3における被覆層6中のAl含有比率よりも高く、さらに、本実施態様においては、すくい面3から切刃5に向かって被覆層6中のAl含有比率が高くなっている。これによって、被覆層6の切刃5における被覆層6の耐酸化性が向上する。その結果、切刃5の境界における突発欠損や急激な摩耗の進行が抑制される。また、本実施態様では、逃げ面4における被覆層6のTiの含有比率が高い。この結果、硬度が高くて機械的なこすれ摩耗の進行が抑制させる。   Here, in the present embodiment, the Al content ratio in the coating layer 6 in the cutting edge 5 is higher than the Al content ratio in the coating layer 6 in the rake face 3, and in the present embodiment, from the rake face 3. The Al content in the coating layer 6 increases toward the cutting edge 5. Thereby, the oxidation resistance of the coating layer 6 in the cutting edge 5 of the coating layer 6 is improved. As a result, sudden breakage at the boundary of the cutting edge 5 and rapid progress of wear are suppressed. Moreover, in this embodiment, the Ti content ratio of the coating layer 6 in the flank 4 is high. As a result, the hardness is high and the progress of mechanical rubbing wear is suppressed.

また、本実施態様では、逃げ面4における被覆層6中のAl含有比率がすくい面3における被覆層6中のAl含有比率よりも高い。これによって、すくい面3における耐酸化性が向上して、すくい面3におけるクレータ摩耗を抑制できる。また、本実施態様によれば、逃げ面4においては被覆層6のTi含有比率が高い。その結果、被覆層6の硬度が高くなり逃げ面摩耗を抑制できる。   In this embodiment, the Al content ratio in the coating layer 6 on the flank 4 is higher than the Al content ratio in the coating layer 6 on the rake face 3. Thereby, the oxidation resistance on the rake face 3 is improved, and crater wear on the rake face 3 can be suppressed. Moreover, according to this embodiment, the Ti content ratio of the coating layer 6 is high in the flank 4. As a result, the hardness of the coating layer 6 is increased and flank wear can be suppressed.

さらに、本実施態様において、切刃5における被覆層6の組成は、上記組成式AlTiCrNb(C1−x)において、0.2≦a≦0.65、0.25≦b≦0.8、0≦c≦0.4、0≦d≦0.25、0≦e≦0.25、a+b+c+d+e=1、0≦x≦1)である。また、逃げ面4における被覆層6の組成は、上記組成式AlTiCrNb(C1−x)において、0.19≦a≦0.63、0.27≦b≦0.82、0≦c≦0.41、0≦d≦0.25、0≦e≦0.25、a+b+c+d+e=1、0≦x≦1)である。すくい面3における被覆層6の組成は、上記組成式AlTiCrNb(C1−x)において、0.18≦a≦0.61、0.31≦b≦0.82、0≦c≦0.42、0≦d≦0.25、0≦e≦0.25、a+b+c+d+e=1、0≦x≦1)である。 Further, in this embodiment, the composition of the coating layer 6 in the cutting edge 5, in the above composition formula Al a Ti b Cr c Nb d W e (C 1-x N x), 0.2 ≦ a ≦ 0.65 0.25 ≦ b ≦ 0.8, 0 ≦ c ≦ 0.4, 0 ≦ d ≦ 0.25, 0 ≦ e ≦ 0.25, a + b + c + d + e = 1, 0 ≦ x ≦ 1). The composition of the coating layer 6 in the flank face 4, in the above composition formula Al a Ti b Cr c Nb d W e (C 1-x N x), 0.19 ≦ a ≦ 0.63,0.27 ≦ b ≦ 0.82, 0 ≦ c ≦ 0.41, 0 ≦ d ≦ 0.25, 0 ≦ e ≦ 0.25, a + b + c + d + e = 1, 0 ≦ x ≦ 1). The composition of the coating layer 6 on the rake face 3, in the above composition formula Al a Ti b Cr c Nb d W e (C 1-x N x), 0.18 ≦ a ≦ 0.61,0.31 ≦ b ≦ 0.82, 0 ≦ c ≦ 0.42, 0 ≦ d ≦ 0.25, 0 ≦ e ≦ 0.25, a + b + c + d + e = 1, 0 ≦ x ≦ 1).

なお、本発明において、被覆層6の組成や厚みを特定する際の切刃5の範囲は、切削工具1の断面において、すくい面3と逃げ面4とを延長した交点から500μm幅の領域と定義する。したがって、すくい面3の範囲は、切削工具1の主面等のすくい面3の中央から切刃5の終端である交差稜線から500μmの位置までに亘る領域、逃げ面4の範囲は、切削工具1の側面等の逃げ面4の中央から切刃5の終端である交差稜線から500μmの位置までに亘る領域である。   In the present invention, the range of the cutting edge 5 when specifying the composition and thickness of the coating layer 6 is a region having a width of 500 μm from the intersection of the rake face 3 and the flank face 4 in the cross section of the cutting tool 1. Define. Therefore, the range of the rake face 3 is a region extending from the center of the rake face 3 such as the main surface of the cutting tool 1 to the position of 500 μm from the cross ridge line which is the end of the cutting edge 5, and the range of the flank face 4 is the cutting tool. 1 is a region extending from the center of the flank 4 such as the side surface of 1 to the position of 500 μm from the intersecting ridge line that is the end of the cutting edge 5.

ここで、本実施態様によれば、被覆層6を構成する結晶が厚み方向に長い柱状結晶からなり、該柱状結晶の平均結晶幅が200nm以下である。これによって、被覆層6の表面が高温に曝された場合でも、被覆層6の内部が酸化されることを抑制できるため、被覆層6の耐酸化性がさらに向上する。前記柱状結晶の平均結晶幅の望ましい範囲は10〜200nm、特に望ましくは30〜150nmである。また、本実施態様によれば、切刃5における前記柱状結晶の平均結晶幅が、逃げ面4における前記柱状結晶の平均結晶幅よりも大きい。これによって、切刃5における耐欠損性を高めることができるとともに、逃げ面におけるこすれ摩耗の進行を抑制できる。切刃5における前記柱状結晶の平均結晶幅の望ましい範囲は50〜200nm、特に望ましい範囲は70〜150nmであり、逃げ面4における前記柱状結晶の平均結晶幅の望ましい範囲は10〜150nm、特に望ましい範囲は30〜120nmである。なお、本発明における柱状結晶の平均結晶幅は、被覆層6の厚みの中間の位置において、基体2と被覆層6との界面に平行な直線を引いて、測定した直線の長さ/この直線の中に存在する粒界の数で算出する。   Here, according to this embodiment, the crystals constituting the coating layer 6 are columnar crystals that are long in the thickness direction, and the average crystal width of the columnar crystals is 200 nm or less. Thereby, even when the surface of the coating layer 6 is exposed to a high temperature, it is possible to suppress the inside of the coating layer 6 from being oxidized, so that the oxidation resistance of the coating layer 6 is further improved. A desirable range of the average crystal width of the columnar crystals is 10 to 200 nm, and particularly desirably 30 to 150 nm. Further, according to this embodiment, the average crystal width of the columnar crystals in the cutting edge 5 is larger than the average crystal width of the columnar crystals in the flank 4. As a result, the fracture resistance of the cutting edge 5 can be increased, and the progress of rubbing wear on the flank can be suppressed. A desirable range of the average crystal width of the columnar crystals in the cutting edge 5 is 50 to 200 nm, and a particularly desirable range is 70 to 150 nm, and a desirable range of the average crystal width of the columnar crystals in the flank 4 is particularly desirably 10 to 150 nm. The range is 30-120 nm. The average crystal width of the columnar crystals in the present invention is the length of a straight line measured by drawing a straight line parallel to the interface between the substrate 2 and the coating layer 6 at a position intermediate the thickness of the coating layer 6 / this straight line. It is calculated by the number of grain boundaries existing in.

また、図2の本実施態様においては、被覆層6の一例についての要部拡大図に示すように、被覆層6は、Al含有比率が高い第1被覆層6aと、Alを含まないかAl含有比率が低い第2被覆層6bとの1層ずつの合計2層が積層された2層以上の多層からなり、本実施態様によれば、図2に示すように、第1被覆層6aと第2被覆層6bとが交互に積層された多層構成となっている。これによって、被覆層6内にクラックが進展することを抑制することができ、かつ被覆層6全体が高硬度化して、耐摩耗性が向上する。なお、本発明においては、このように組成の異なる2種類以上の多層構成からなる被覆層6の組成は、被覆層6の全体組成で表わし、電子線マイクロアナライザー(EPMA)等によって分析可能である。また、第1被覆層および第2被覆層の各層の組成は、透過型電子顕微鏡(TEM)に付随のエネルギー分散型X線分析(EDS)等によって分析可能である。なお、上記多層構成の被覆層6を形成するには、例えば、成膜装置のチャンバの内壁側面に、組成の異なるターゲットを一定の間隔をあけて配置した状態で、成膜する試料を回転させながら成膜することによって作製することができる。   Moreover, in this embodiment of FIG. 2, as shown in the principal part enlarged view about an example of the coating layer 6, the coating layer 6 includes the first coating layer 6a having a high Al content ratio and Al or Al. It consists of a multilayer of two or more layers in which a total of two layers, one layer each with the second coating layer 6b having a low content ratio, are laminated. According to this embodiment, as shown in FIG. It has a multilayer structure in which the second coating layers 6b are alternately stacked. As a result, it is possible to suppress cracks from progressing in the coating layer 6 and to increase the hardness of the entire coating layer 6 and improve the wear resistance. In the present invention, the composition of the coating layer 6 composed of two or more kinds of multilayer structures having different compositions as described above is represented by the overall composition of the coating layer 6 and can be analyzed by an electron beam microanalyzer (EPMA) or the like. . The composition of each of the first coating layer and the second coating layer can be analyzed by energy dispersive X-ray analysis (EDS) attached to a transmission electron microscope (TEM). In order to form the coating layer 6 having the multilayer structure, for example, a sample to be deposited is rotated with targets having different compositions arranged on the inner wall side surface of the chamber of the deposition apparatus with a certain interval. However, it can be produced by forming a film.

さらに、本実施態様では、逃げ面4における被覆層6の厚みtと切刃5における被覆層6の厚みtとの比(t/t)が1.1〜3である。これによって、切刃5における耐チッピング性と逃げ面4における耐摩耗性とのバランスを保って、工具寿命を長くすることができる。 Furthermore, in this embodiment, the ratio (t c / t f ) between the thickness t f of the coating layer 6 on the flank 4 and the thickness t c of the coating layer 6 on the cutting edge 5 is 1.1 to 3. As a result, the tool life can be extended while maintaining a balance between the chipping resistance of the cutting edge 5 and the wear resistance of the flank 4.

なお、本実施態様では、被覆層6の逃げ面4における厚みが、すくい面3における厚みよりも厚い。これによって、逃げ面4の耐摩耗性が向上し、工具寿命を延ばすことができる。本実施態様では、逃げ面4における被覆層6の厚みtとすくい面3における被覆層6の厚みtとの比(t/t)が1.2〜3である。 In the present embodiment, the thickness of the flank 4 of the coating layer 6 is thicker than the thickness of the rake face 3. Thereby, the wear resistance of the flank 4 is improved, and the tool life can be extended. In the present embodiment, the ratio between the thickness t r of the covering layer 6 in a thickness t f and the rake face 3 of the covering layer 6 in the flank face 4 (t f / t r) is 1.2 to 3.

また、本実施態様では、被覆層6の表面および内部には、図1(b)に示すように、ドロップレット7と呼ばれる粒状物質が存在する。そして、本実施態様では、すくい面3の表面に存在するドロプレット7の平均組成は逃げ面4の表面に存在するドロップレット7の平均組成に比べてAl含有比率が高い構成となっている。   Moreover, in this embodiment, the granular material called the droplet 7 exists in the surface and the inside of the coating layer 6, as shown in FIG.1 (b). In the present embodiment, the average composition of the droplets 7 existing on the surface of the rake face 3 is higher than the average composition of the droplets 7 existing on the surface of the flank 4.

この構成によれば、切削時にすくい面3上を切屑が通過してもドロップレット7の存在によって切屑がすくい面にベタ当たりすることなく、被覆層6の表面がさほど高温になることがない。しかも、すくい面3のほうが逃げ面4に比べてドロップレット7中のAl含有比率が高いので、すくい面3上に存在するドロップレット7の耐酸化性が高く、かつ切削液を被覆層6の表面に保液する効果も発揮する。また、逃げ面4においてはドロップレット7中のAlの含有割合が低くて耐酸化性が低いために、早期に摩耗して消滅してしまい、加工時の仕上げ面状態が改善される。   According to this configuration, even if chips pass over the rake face 3 during cutting, the presence of the droplets 7 prevents the chips from sticking to the rake face, and the surface of the coating layer 6 does not become so hot. Moreover, since the rake face 3 has a higher Al content in the droplets 7 than the flank face 4, the oxidation resistance of the droplets 7 existing on the rake face 3 is high, and the cutting fluid is applied to the coating layer 6. Also exhibits the effect of retaining liquid on the surface. Further, since the Al content in the droplet 7 is low and the oxidation resistance is low on the flank 4, the flank 4 is worn out and disappears at an early stage, and the finished surface state during processing is improved.

なお、本実施態様では、被覆層6のすくい面3の表面に形成されるドロップレット7のAl含有比率AlDRは逃げ面4の表面に形成されるドロップレット7のAl含有比率AlDFに対して1.05≦AlDR/AlDF≦1.60である。これによって、すくい
面3および逃げ面4における耐摩耗性をともに最適化できる。
In this embodiment, the Al content ratio Al DR of the droplet 7 formed on the surface of the rake face 3 of the coating layer 6 is compared with the Al content ratio Al DF of the droplet 7 formed on the surface of the flank 4. 1.05 ≦ Al DR / Al DF ≦ 1.60. Thereby, both the wear resistance on the rake face 3 and the flank face 4 can be optimized.

また、存在するドロップレット7の数は、すくい面3における10μm×10μm四方で直径が0.2μm以上のドロップレット7が15〜50個、より望ましくは18〜30個である。これによって、切屑の通過による発熱の緩和の点で望ましい。また、すくい面3におけるドロップレット7の数が逃げ面4に存在するドロップレット7の数よりも多いことが、すくい面3が切屑の通過によって高温になることを緩和するとともに、逃げ面4の表面を滑らかにして仕上げ面品位を向上する点で望ましい。   Further, the number of the droplets 7 present is 15 to 50, more preferably 18 to 30 droplets 7 having a diameter of 0.2 μm or more in a 10 μm × 10 μm square on the rake face 3. This is desirable in terms of mitigating the heat generated by the passage of chips. Further, the fact that the number of droplets 7 on the rake face 3 is larger than the number of droplets 7 present on the flank face 4 reduces the rake face 3 from becoming hot due to the passage of chips, and It is desirable in terms of improving the finished surface quality by smoothing the surface.

また、被覆層6のすくい面3の表面に形成されるドロップレット7のTi含有比率TiDRは逃げ面4の表面に形成されるドロップレット7のTi含有比率TiDFに対して0
.91≦TiDR/TiDF≦0.97であることが、すくい面3および逃げ面4における耐チッピング性をともに最適化できる点で望ましい。比率TiDR/TiDFの特に望ましい範囲は0.94≦TiDR/TiDF≦0.97である。さらに、被覆層6のすくい面3の表面に形成されるドロップレット7のCr含有比率CrDRは逃げ面4の表面に形成されるドロップレット7のCr含有比率CrDFに対して1.00≦CrDR/Cr
DF≦2.5であることが、すくい面3および逃げ面4における耐摩耗性をともに最適化できる点で望ましい。比率CrDR/CrDFの特に望ましい範囲は1.00≦CrDR/CrDF≦1.5である。
The Ti content ratio Ti DR of the droplet 7 formed on the surface of the rake face 3 of the coating layer 6 is 0 with respect to the Ti content ratio Ti DF of the droplet 7 formed on the surface of the flank 4.
. It is desirable that 91 ≦ Ti DR / Ti DF ≦ 0.97 because both chipping resistance at the rake face 3 and the flank face 4 can be optimized. A particularly desirable range of the ratio Ti DR / Ti DF is 0.94 ≦ Ti DR / Ti DF ≦ 0.97. Further, the Cr content ratio Cr DR of the droplet 7 formed on the surface of the rake face 3 of the coating layer 6 is 1.00 ≦≦ Cr content ratio Cr DF of the droplet 7 formed on the surface of the flank face 4. Cr DR / Cr
DF ≦ 2.5 is desirable in that both wear resistance on the rake face 3 and the flank face 4 can be optimized. A particularly desirable range of the ratio Cr DR / Cr DF is 1.00 ≦ Cr DR / Cr DF ≦ 1.5.

なお、基体2としては、炭化タングステンや炭窒化チタンを主成分とする硬質相とコバルト、ニッケル等の鉄族金属を主成分とする結合相とからなる超硬合金やサーメットの硬質合金、窒化ケイ素や酸化アルミニウムを主成分とするセラミックス、多結晶ダイヤモンドや立方晶窒化ホウ素からなる硬質相とセラミックスや鉄族金属等の結合相とを超高圧下で焼成する超高圧焼結体等の硬質材料が好適に使用される。   The substrate 2 may be a cemented carbide or cermet hard alloy composed of a hard phase mainly composed of tungsten carbide or titanium carbonitride and a binder phase mainly composed of an iron group metal such as cobalt or nickel, or silicon nitride. Hard materials such as ultra-high pressure sintered bodies that fire ceramics and aluminum oxide as a main component, hard phases composed of polycrystalline diamond and cubic boron nitride and binder phases such as ceramics and iron group metals under ultra-high pressure Preferably used.

(製造方法)
次に、本発明の切削工具の製造方法について説明する。
(Production method)
Next, the manufacturing method of the cutting tool of this invention is demonstrated.

まず、工具形状の基体を従来公知の方法を用いて作製する。次に、基体の表面に、被覆層を成膜する。被覆層の成膜方法として、イオンプレーティング法やスパッタリング法等の物理蒸着(PVD)法が好適に適応可能である。成膜方法の一例についての詳細について説明すると、被覆層をアークイオンプレーティング法で作製する場合には、金属アルミニウム(Al)、および所定の金属M(ただし、MはTi、Cr、Si、W、Mo、Ta、Hf、Nb、ZrおよびYから選ばれる少なくとも1種以上)をそれぞれ独立に含有する金属ターゲット、複合化した合金ターゲットまたは焼結体ターゲットを用い、チャンバの側壁面位置にセットする。   First, a tool-shaped substrate is produced using a conventionally known method. Next, a coating layer is formed on the surface of the substrate. A physical vapor deposition (PVD) method such as an ion plating method or a sputtering method can be suitably applied as the coating layer forming method. The details of an example of the film forming method will be described. When the coating layer is manufactured by the arc ion plating method, metallic aluminum (Al) and a predetermined metal M (where M is Ti, Cr, Si, W) And at least one selected from Mo, Ta, Hf, Nb, Zr, and Y), each using a metal target, a composite alloy target, or a sintered body target, and set at the side wall surface position of the chamber. .

このとき、ターゲットの周囲には磁石が設置され、ターゲットの裏面の中央側にはセンター磁石が設置されている。本発明によれば、この磁石の磁力の強さを制御することによって、上記実施態様の切削工具を作製することができる。すなわち、Al含有比率が多いターゲットに併設されるセンター磁石の磁力を強くし、Alを含まないかAl含有比率が少ないターゲットのセンター磁石の磁力を弱くする。これによって、各ターゲットから発生する金属イオンの拡散状態を変えて、チャンバ内に存在する金属イオンの分布状態を変化させる。その結果、基体の表面に成膜される被覆層中の各金属の含有比率、およびドロップレットの存在状態を変化させることができる。なお、各ターゲットの数は被覆層が所
望の組成となるように調整される。
At this time, a magnet is installed around the target, and a center magnet is installed on the center side of the back surface of the target. According to this invention, the cutting tool of the said embodiment can be produced by controlling the strength of the magnetic force of this magnet. That is, the magnetic force of the center magnet attached to the target having a large Al content ratio is increased, and the magnetic force of the center magnet of the target having no Al content or a low Al content ratio is decreased. Thereby, the diffusion state of the metal ions generated from each target is changed, and the distribution state of the metal ions existing in the chamber is changed. As a result, the content ratio of each metal in the coating layer formed on the surface of the substrate and the presence state of the droplets can be changed. In addition, the number of each target is adjusted so that a coating layer may become a desired composition.

成膜条件としては、これらのターゲットを用いて、アーク放電やグロー放電などにより金属源を蒸発させイオン化すると同時に、窒素源の窒素(N)ガスや炭素源のメタン(CH)/アセチレン(C)ガスと反応させるイオンプレーティング法またはスパッタリング法によって被覆層およびドロップレットを成膜する。このとき、基体のセット位置は逃げ面がチャンバの側面とほぼ平行に、かつすくい面がチャンバの上面とほぼ平行な向きにセットする。この時、センター磁石には2〜8Tの磁力を印加して成膜するが、Alを含有するターゲットに併設されるセンター磁石に印加する磁力を、Alを含まないかAl含有比率が低いターゲットに併設されるセンター磁石に印加する磁力よりも高くして成膜する。 Film formation conditions include using these targets to evaporate and ionize the metal source by arc discharge, glow discharge, or the like, and simultaneously use nitrogen (N 2 ) gas as a nitrogen source or methane (CH 4 ) / acetylene as a carbon source ( A coating layer and a droplet are formed by an ion plating method or a sputtering method in which a C 2 H 2 ) gas is reacted. At this time, the base is set so that the flank face is substantially parallel to the side face of the chamber and the scoop face is substantially parallel to the upper face of the chamber. At this time, a magnetic force of 2 to 8 T is applied to the center magnet to form a film, but the magnetic force applied to the center magnet provided alongside the target containing Al is applied to a target that does not contain Al or has a low Al content ratio. The film is formed with a higher magnetic force than that applied to the center magnet.

なお、上記被覆層を成膜する際には、被覆層の結晶構造を考慮して高硬度な被覆層を作製できるとともに基体との密着性を高めるために、本実施態様では、35〜200Vのバイアス電圧を印加する。   In forming the coating layer, a high hardness coating layer can be produced in consideration of the crystal structure of the coating layer, and in order to improve the adhesion to the substrate, in this embodiment, the coating layer has a voltage of 35 to 200 V. Apply a bias voltage.

平均粒径0.8μmの炭化タングステン(WC)粉末を主成分として、平均粒径1.2μmの金属コバルト(Co)粉末を10質量%、平均粒径1.0μmの炭化バナジウム(VC)粉末を0.1質量%、平均粒径1.0μmの炭化クロム(Cr)粉末を0.3質量%の割合で添加し混合して、プレス成形により京セラ製切削工具BDMT11T308TR−JT形状のスローアウェイチップ形状に成形した後、脱バインダ処理を施し、0.01Paの真空中、1450℃で1時間焼成して超硬合金を作製した。また、各試料のすくい面表面をブラスト加工、ブラシ加工等によって研磨加工した。さらに、作製した超硬合金にブラシ加工にて刃先処理(ホーニング)を施した。 Mainly composed of tungsten carbide (WC) powder having an average particle diameter of 0.8 μm, 10% by mass of metallic cobalt (Co) powder having an average particle diameter of 1.2 μm, and vanadium carbide (VC) powder having an average particle diameter of 1.0 μm. Chromium carbide (Cr 3 C 2 ) powder of 0.1% by mass and average particle size of 1.0 μm is added and mixed at a rate of 0.3% by mass, and a KYOCERA cutting tool BDMT11T308TR-JT-shaped throw is formed by press molding. After forming into an away chip shape, a binder removal treatment was performed and fired at 1450 ° C. for 1 hour in a vacuum of 0.01 Pa to produce a cemented carbide. Further, the rake face surface of each sample was polished by blasting, brushing or the like. Further, the prepared cemented carbide was subjected to blade edge processing (honing) by brushing.

このようにして作製した基体に対して、Al含有比率が高い第1ターゲット、およびAlを含まないかAl含有比率が低い第2ターゲットに対して、表1に示すセンター磁石をセットして、表1に示すバイアス電圧を印加し、アーク電流150Aをそれぞれ流し、成膜温度540℃として表2〜3に示す組成の被覆層を成膜した。なお、被覆層の組成は下記方法にて測定した。   The center magnet shown in Table 1 was set on the first target having a high Al content ratio and the second target having no Al content or a low Al content ratio with respect to the substrate thus prepared. 1 was applied, an arc current of 150 A was applied, and a coating layer having the composition shown in Tables 2 to 3 was formed at a film formation temperature of 540 ° C. The composition of the coating layer was measured by the following method.

得られた試料に対して、被覆層の表面から、切刃、すくい面及び逃げ面の被覆層の各位置の任意3箇所について走査型電子顕微鏡(SEM)にて観察し、エネルギー分散分光分析(EDS)(アメテック社製EDAX)によって組成を分析した。各分析結果の平均値を被覆層の組成として表記した。また、前記各位置の任意3箇所に存在するドロップレットについて、各視野で大きい順に10個ずつ観察し、エネルギー分散分光分析(EDS)(アメテック社製EDAX)によって測定し、これらの平均値を被覆層のすくい面、逃げ面の各表面上のドロップレットの組成として算出した。表中、すくい面に形成されたドロップレットについてAl,Ti,Crの平均含有量(原子%)をそれぞれAlDR、TiDR、CrDR、逃げ面に形成されたドロップレットについてAl,Ti,Crの平均含有量(原子%)をそれぞれAlDF、TiDF、CrDFと表記し、ドロップレットの比率を算出した。さらに、1視野における10μm×10μm四方の任意領域における直径0.2μm以上のドロップレットの個数を測定し、測定箇所3箇所におけるドロップレットの平均個数を算出した。また、各試料の被覆層を含む断面についてSEM観察を行い、切刃、すくい面および逃げ面の各位置における被覆層の厚みを測定した。結果は表2〜4に示した。 With respect to the obtained sample, from the surface of the coating layer, an arbitrary three positions of the coating layer on the cutting edge, the rake face and the flank are observed with a scanning electron microscope (SEM), and energy dispersive spectroscopy analysis ( The composition was analyzed by EDS) (EDAX manufactured by Ametech). The average value of each analysis result was described as the composition of the coating layer. Moreover, about the droplet which exists in the arbitrary three places of each said position, it observes 10 pieces at a time in a big order in each visual field, it measures by an energy dispersive spectroscopy analysis (EDS) (EDEX by Ametec), and covers these average values The composition was calculated as the composition of droplets on the rake face and flank surface of the layer. In the table, the average content (atomic%) of Al, Ti, Cr for droplets formed on the rake face is Al DR , Ti DR , Cr DR , respectively, and Al, Ti, Cr for droplets formed on the flank face. The average content (atomic%) was expressed as Al DF , Ti DF , and Cr DF , respectively, and the ratio of droplets was calculated. Furthermore, the number of droplets having a diameter of 0.2 μm or more in an arbitrary region of 10 μm × 10 μm square in one visual field was measured, and the average number of droplets at three measurement locations was calculated. Moreover, SEM observation was performed about the cross section containing the coating layer of each sample, and the thickness of the coating layer in each position of a cutting edge, a rake face, and a flank was measured. The results are shown in Tables 2-4.

また、被覆層の断面について、電子線後方散乱回折法を用いて、被覆層を構成する各結晶の向きを観察し、向きが異なる結晶を異なる色で表すことによって結晶粒界を特定し、
被覆層を構成する結晶の平均結晶幅を算出したところ、試料No.1〜7については平均結晶幅は各試料とも200nm以下であり、切刃における平均結晶幅が逃げ面における平均結晶幅より大きかった。
In addition, for the cross section of the coating layer, using the electron backscatter diffraction method, observe the orientation of each crystal constituting the coating layer, identify the crystal grain boundary by expressing the crystals in different directions in different colors,
When the average crystal width of the crystals constituting the coating layer was calculated, Sample No. For 1 to 7, the average crystal width of each sample was 200 nm or less, and the average crystal width at the cutting edge was larger than the average crystal width at the flank.

次に、得られたスローアウェイチップを用いて以下の切削条件にて切削試験を行った。結果は表4に示した。
切削方法:ミリング加工
被削材 :炭素鋼(S45C)
切削速度:200m/分
送り :0.15mm/rev
切り込み:2.0mm
切削状態:乾式
評価方法:工具寿命まで加工できた加工数を確認し、そのときの切刃の状態を確認した。
Next, a cutting test was performed using the obtained throw-away tip under the following cutting conditions. The results are shown in Table 4.
Cutting method: Milling work material: Carbon steel (S45C)
Cutting speed: 200 m / min Feed: 0.15 mm / rev
Cutting depth: 2.0mm
Cutting state: Dry evaluation method: The number of processings that could be performed until the tool life was confirmed, and the state of the cutting blade at that time was confirmed.

Figure 0005922546
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表1〜4に示す結果より、切刃よりも逃げ面において被覆層のAl含有比率が高い試料No.8では、切刃の境界部分に突発欠損が発生して加工数が少なかった。また、切刃と逃げ面における被覆層のAl含有比率が同じ試料No.9では、境界部分において早期に摩耗が進行した。これに対して、本発明の範囲内である逃げ面よりも切刃における被覆層のAl含有比率が高い試料No.1〜7では、いずれも切刃の境界において、異常な欠損や摩耗の進行が見られず、良好な切削性能を発揮した。   From the results shown in Tables 1 to 4, Sample No. with a higher Al content ratio of the coating layer on the flank face than the cutting edge. In No. 8, the number of machining was small due to a sudden defect at the boundary of the cutting edge. In addition, sample No. 1 in which the Al content ratio of the coating layer on the cutting edge and the flank face is the same. In No. 9, wear progressed early in the boundary portion. On the other hand, Sample No. with a higher Al content ratio of the coating layer in the cutting blade than the flank within the scope of the present invention. In Nos. 1 to 7, abnormal cutting and progress of wear were not observed at the cutting edge boundary, and good cutting performance was exhibited.

1 切削工具
2 基体
3 すくい面
4 逃げ面
5 切刃
6 被覆層
7 ドロップレット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cutting tool 2 Base | substrate 3 Rake face 4 Relief face 5 Cutting edge 6 Coating layer 7 Droplet

Claims (7)

基体の表面に、AlaM1−a(C1−xNx)(ただし、MはTi、Cr、Si、W、Mo、Ta、Hf、Nb、ZrおよびYから選ばれる少なくとも1種、0.2≦a≦0.65、0≦x≦1)からなる被覆層を被覆してなるとともに、すくい面と逃げ面との交差稜線に切刃を有しており、前記切刃における前記被覆層中のAl含有比率が前記逃げ面における前記被覆層中のAl含有比率よりも高いとともに、前記切刃における前記被覆層中のAl含有比率が前記すくい面における前記被覆層中のAl含有比率よりも高い切削工具。 AlaM1-a (C1-xNx) (wherein M is at least one selected from Ti, Cr, Si, W, Mo, Ta, Hf, Nb, Zr and Y, 0.2 ≦ a ≦ 0.65, 0 ≦ x ≦ 1) is coated and has a cutting edge at the crossing ridge line between the rake face and the flank face, and Al content in the coating layer in the cutting edge A cutting tool having a ratio higher than the Al content ratio in the coating layer on the flank and a higher Al content ratio in the coating layer on the cutting edge than the Al content ratio in the coating layer on the rake face . 前記逃げ面における前記被覆層中のAl含有比率が前記すくい面における前記被覆層中のAl含有比率よりも高い請求項記載の切削工具。 The cutting tool of high claim 1 than Al content of the coating layer Al content of the coating layer in the flank in the rake face. 前記被覆層を構成する結晶が厚み方向に長い柱状結晶からなり、該柱状結晶の平均結晶幅が200nm以下である請求項1または2記載の切削工具。 The cutting tool according to claim 1 or 2, wherein the crystals constituting the coating layer are columnar crystals that are long in the thickness direction, and the average crystal width of the columnar crystals is 200 nm or less. 前記切刃における前記柱状結晶の平均結晶幅が、前記逃げ面における前記柱状結晶の平均結晶幅よりも大きい請求項記載の切削工具。 The cutting tool according to claim 3 , wherein an average crystal width of the columnar crystals in the cutting edge is larger than an average crystal width of the columnar crystals in the flank. 前記被覆層が、Al含有比率が高い第1被覆層と、Alを含有しないかまたはAl含有比率が低い第2被覆層とが積層された2層以上の多層からなる請求項1乃至のいずれか記載の切削工具。 Any said coating layer comprises a first coating layer Al content ratio is high, the second covering layer is low or Al content ratio not containing Al and has of claims 1 to 4 comprising two or more layers laminated Or the cutting tool described. 前記逃げ面における前記被覆層の厚みtfと前記切刃における前記被覆層の厚みtcとの比(tc/tf)が1.1〜3である請求項1乃至のいずれか記載の切削工具。 The cutting tool according to any one of claims 1 to 5 , wherein a ratio (tc / tf) between a thickness tf of the coating layer on the flank and a thickness tc of the coating layer on the cutting edge is 1.1 to 3 . 前記逃げ面における前記被覆層の厚みtfと前記すくい面における前記被覆層の厚みtrとの比(tf/tr)が1.5〜3である請求項1乃至のいずれか記載の切削工具。 The cutting tool according to any one of claims 1 to 6 , wherein a ratio (tf / tr) of a thickness tf of the coating layer on the flank and a thickness tr of the coating layer on the rake face is 1.5 to 3.
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