JP6385237B2 - Coated cutting tool - Google Patents
Coated cutting tool Download PDFInfo
- Publication number
- JP6385237B2 JP6385237B2 JP2014215128A JP2014215128A JP6385237B2 JP 6385237 B2 JP6385237 B2 JP 6385237B2 JP 2014215128 A JP2014215128 A JP 2014215128A JP 2014215128 A JP2014215128 A JP 2014215128A JP 6385237 B2 JP6385237 B2 JP 6385237B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- cutting
- tool
- atomic
- film
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Description
本発明は、鋼や鋳鉄等の切削加工に適用される硬質皮膜が被覆された被覆切削工具に関する。 The present invention relates to a coated cutting tool coated with a hard coating applied to a cutting process such as steel or cast iron.
従来、切削工具の耐久性を向上させることを目的に、硬質皮膜を被覆した被覆切削工具が適用されている。硬質皮膜の中でもＴｉとＳｉの複合窒化物皮膜や炭窒化物皮膜（以下、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＣＮと記載する。）は優れた耐摩耗性を有することから高硬度鋼の切削加工に適用されている。通常、ＴｉＳｉＮやＴｉＳｉＣＮは、基材との密着性が乏しいことから基材とＴｉＳｉＮやＴｉＳｉＣＮの間に密着性を改善するための中間皮膜を介して被覆され被覆切削工具に適用されている。 Conventionally, a coated cutting tool coated with a hard film has been applied for the purpose of improving the durability of the cutting tool. Among hard coatings, composite nitride coatings and carbonitride coatings (hereinafter referred to as TiSiN and TiSiCN) of Ti and Si have been applied to cutting of high-hardness steel because they have excellent wear resistance. Usually, TiSiN or TiSiCN is applied to a coated cutting tool coated with an intermediate film for improving the adhesion between the substrate and TiSiN or TiSiCN because of its poor adhesion to the substrate.
例えば、特許文献１では、基材の直上に金属成分のみの原子％が、Ａｌ：４０％越え７５％以下、Ｂ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの１種または２種以上で１０％未満、残りＴｉで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかを介し、その直上にＴｉＳｉＮやＴｉＳｉＣＮを被覆した被覆切削工具が開示されている。また、特許文献２には、基材の直上にＴｉを主体とする窒化物を０．１μｍ〜１μｍで形成して、その直上に金属成分のみの原子％が、Ａｌ：４０％越え７５％以下、Ｂ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの１種または２種以上で１０％未満、残りＴｉで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかを介し、その直上にＴｉＳｉＮやＴｉＳｉＣＮを被覆した被覆切削工具が開示されている。 For example, in Patent Document 1, the atomic percentage of only the metal component is directly above the substrate, Al: more than 40% and 75% or less, B, Si, V, Cr, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W One or more of the above, less than 10% of the remaining Ti, nitride, carbonitride, oxynitride, oxycarbonitride coated with TiSiN or TiSiCN directly on it A tool is disclosed. Further, in Patent Document 2, a nitride mainly composed of Ti is formed at a thickness of 0.1 μm to 1 μm immediately above a base material, and the atomic percentage of only the metal component is Al: more than 40% and 75% or less. N, B, Si, V, Cr, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W or less, and less than 10%, remaining nitride, carbonitride, oxynitride A coated cutting tool in which TiSiN or TiSiCN is coated directly on any of the oxycarbonitrides is disclosed.
近年、被加工材の高硬度化および加工速度の高速化により、切削工具の使用環境はより過酷なものとなっている。特に、熱処理により６０ＨＲＣ以上の高硬度に調整された冷間工具鋼を切削加工する場合、硬質皮膜の剥離や摩耗が早期に生じ易い。そのため、特許文献１、２のような中間皮膜を介してＴｉＳｉＮやＴｉＳｉＣＮが被覆された被覆切削工具であっても早期に工具寿命に達する場合があった。
本発明は上記のような事情に鑑み行われたものであり、耐久性に優れる被覆切削工具を提供することを目的とする。
In recent years, the working environment of cutting tools has become more severe due to the higher hardness of workpieces and higher processing speeds. In particular, when cutting cold tool steel adjusted to a high hardness of 60 HRC or higher by heat treatment, peeling or wear of the hard coating tends to occur early. For this reason, even a coated cutting tool coated with TiSiN or TiSiCN through an intermediate film as described in Patent Documents 1 and 2 sometimes reaches the tool life early.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a coated cutting tool having excellent durability.
本発明者は、高硬度材の切削加工において優れた耐久性を示す具体的な皮膜構造を見出して本発明に到達した。
すなわち本発明は、基材と、前記基材の上に配置され、ナノビーム回折パターンがＷＣの結晶構造に指数付けされ、ＷとＴｉを含有する炭化物からなるａ層と、
前記ａ層の上に配置され、金属（半金属を含む。以下同様。）元素の総量に対し、Ａｌの含有比率（原子％）が６０％以上７５％以下、Ｔｉの含有比率（原子％）が２０％以上である窒化物または炭窒化物からなるｂ層と、前記ｂ層の上に配置され、金属元素の総量に対し、Ｔｉの含有比率（原子％）が最も多いＴｉＳｉ系の窒化物または炭窒化物からなるｃ層と、を含み、
前記ａ層の膜厚は１ｎｍ〜１０ｎｍであり、前記ｂ層の結晶構造が面心立方格子構造である被覆切削工具である。
前記ｃ層の膜厚は１μｍ以上であることが好ましい。
The present inventor has found a specific film structure exhibiting excellent durability in cutting of a hard material, and has reached the present invention.
That is, the present invention comprises a base material, an a layer made of a carbide containing W and Ti, disposed on the base material, the nanobeam diffraction pattern is indexed to the crystal structure of WC,
Al content ratio (atomic%) is 60% or more and 75% or less and Ti content ratio (atomic%) with respect to the total amount of metal (including semi-metals; the same shall apply hereinafter) disposed on the a layer. A layer b made of nitride or carbonitride having a Ti content of 20% or more, and a TiSi-based nitride disposed on the layer b and having the largest Ti content ratio (atomic%) with respect to the total amount of metal elements Or c layer made of carbonitride,
In the coated cutting tool, the layer a has a thickness of 1 nm to 10 nm, and the crystal structure of the layer b has a face-centered cubic lattice structure.
The thickness of the c layer is preferably 1 μm or more.
本発明によれば、高硬度の冷間工具鋼の切削加工であっても硬質皮膜の剥離や摩耗が抑制されて、被覆切削工具の耐久性を大幅に改善することが可能となる。また、例えば、ＳＵＳ等の溶着の多い被削材を加工する場合でも被覆切削工具の耐久性を大幅に改善することが可能となる。よって、加工能率の向上及び加工コストの低減を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to significantly improve the durability of the coated cutting tool by suppressing the peeling and wear of the hard coating even in the cutting of cold hardened tool steel. In addition, for example, the durability of the coated cutting tool can be greatly improved even when a work material having a large amount of welding such as SUS is processed. Therefore, improvement in processing efficiency and reduction in processing cost can be realized.
本発明者の検討によれば、高硬度鋼の切削加工において工具の耐久性を高めるためには、切削加工中の切削抵抗を低減することが重要であることを見出した。そして、特定組成からなる硬質皮膜の上にＴｉＳｉ系の窒化物または炭窒化物を形成することで、優れた耐摩耗性を確保しつつ、切削加工中の切削抵抗が低減することを確認した。具体的には、Ａｌ含有量を高めたＡｌとＴｉを含有する窒化物または炭窒化物の上にＴｉＳｉ系の窒化物または炭窒化物を形成することで、工具寿命が改善されることを確認した。そして、基材とＡｌとＴｉを含有する窒化物または炭窒化物との密着性を高めることが重要であり、工具の耐久性をより高めることができる具体的な皮膜構造を見出したことで本発明に到達した。以下、本発明の構成要件について説明をする。 According to the study by the present inventors, it has been found that it is important to reduce the cutting resistance during the cutting process in order to increase the durability of the tool in the cutting process of the high hardness steel. Then, it was confirmed that the cutting resistance during cutting was reduced while securing excellent wear resistance by forming a TiSi-based nitride or carbonitride on a hard film having a specific composition. Specifically, it is confirmed that the tool life is improved by forming TiSi-based nitride or carbonitride on nitride or carbonitride containing Al and Ti with increased Al content. did. And it is important to improve the adhesion between the base material and the nitride or carbonitride containing Al and Ti, and this is the result of finding a specific film structure that can further enhance the durability of the tool. The invention has been reached. Hereinafter, the configuration requirements of the present invention will be described.
本発明において、基材の上に配置されるａ層は、ナノビーム回折パターンがＷＣの結晶構造に指数付けされ、ＷおよびＴｉを含む炭化物からなる。基材の直上のａ層は、ナノビーム回折パターンがＷＣの結晶構造に指数付けされ、タングステン（Ｗ）を含有する炭化物であることにより、基材である超硬合金との親和性が強くなり密着性が優れると考えられる。また、ａ層がチタン（Ｔｉ）を含有することで、基材とａ層の上に配置されるｂ層の密着性がより高まるとともに、ａ層の直上にあるｂ層の硬質皮膜の結晶構造が面心立方格子（ｆｃｃ；以下、単に「ｆｃｃ」と省略することがある）構造となり易く被覆切削工具の耐久性が向上する傾向にある。ａ層は、金属元素の総量に対してＴｉの含有比率（原子％）が１０％以上２５％以下であることが好ましい。
また、ａ層は、薄くなり過ぎても厚くなり過ぎても、基材との密着性を向上させるのに好ましくない。よって、ａ層の膜厚は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲とする。ａ層の膜厚の下限については、好ましくは２ｎｍ以上であり、更には３ｎｍ以上が好ましい。また、ａ層の膜厚の上限については、好ましくは７ｎｍ以下である。更には６ｎｍ以下であることが好ましい。
In the present invention, the a layer disposed on the substrate is made of a carbide containing W and Ti in which the nanobeam diffraction pattern is indexed to the crystal structure of WC. The a layer directly above the base material has a nanobeam diffraction pattern indexed to the crystal structure of WC, and is a carbide containing tungsten (W), so the affinity with the cemented carbide, which is the base material, is increased and adhesion is increased. It is considered that the property is excellent. In addition, since the a layer contains titanium (Ti), the adhesiveness of the b layer disposed on the base material and the a layer is further increased, and the crystal structure of the hard coating of the b layer immediately above the a layer Tends to have a face-centered cubic lattice (fcc; hereinafter simply abbreviated as “fcc”) structure, and the durability of the coated cutting tool tends to be improved. The a layer preferably has a Ti content ratio (atomic%) of 10% to 25% with respect to the total amount of metal elements.
Moreover, even if a layer becomes too thin or too thick, it is unpreferable for improving adhesiveness with a base material. Therefore, the film thickness of the layer a is in the range of 1 nm to 10 nm. About the minimum of the film thickness of a layer, Preferably it is 2 nm or more, Furthermore, 3 nm or more is preferable. The upper limit of the thickness of the a layer is preferably 7 nm or less. Furthermore, it is preferable that it is 6 nm or less.
本発明のａ層は、ＷおよびＴｉ以外に皮膜成分および母材成分を含有しても良い。本発明のａ層には、基材側のＣｏや硬質皮膜側のＡｌ、Ｎが拡散して含まれ得るが、ａ層は、ナノビーム回折パターンがＷＣの結晶構造に指数付けされ、タングステン（Ｗ）とチタン（Ｔｉ）を含有する炭化物であることで、本発明の効果を発揮することができる。ａ層は、工具刃先の透過型電子顕微鏡観察による断面観察、組成分析、ナノビーム回折パターンより確認することができる。 The a layer of the present invention may contain a film component and a base material component in addition to W and Ti. The a layer of the present invention may contain Co on the substrate side and Al and N on the hard coating side in a diffused manner. However, the a layer has a nanobeam diffraction pattern indexed to the crystal structure of WC and tungsten (W ) And titanium (Ti), the effect of the present invention can be exhibited. The a layer can be confirmed by cross-sectional observation, composition analysis, and nanobeam diffraction pattern of the tool edge by observation with a transmission electron microscope.
ｂ層は、金属元素の総量に対し、Ａｌの含有比率（原子％）が６０％以上７５％以下、Ｔｉの含有比率（原子％）が２０％以上である窒化物または炭窒化物からなる。
ＡｌとＴｉを含む窒化物または炭窒化物は、耐熱性と耐摩耗性に優れた皮膜種である。ｂ層は、金属元素の総量に対し、Ａｌの含有比率（原子％）が６０％以上とすることで、加工中に切削工具の刃先への溶着が抑制され易くなり、加工中の切削抵抗が低減する傾向にある。ｂ層のＡｌの含有量が６０％未満であると、加工中の切削抵抗が増加するとともに皮膜の耐熱性が低下し易くなる。また、ｂ層のＡｌの含有量が７５％よりも多くなると脆弱な六方最密充墳（ｈｃｐ；以下、単に「ｈｃｐ」と省略することがある）構造の結晶構造が主体となり易く、被覆切削工具の耐久性が低下する傾向にある。
ｂ層はａ層の直上に設けることで基材とｂ層の密着性が高まり、加工中に切削抵抗を低減する効果が有効に発揮されて好ましい。
The b layer is made of a nitride or carbonitride having an Al content ratio (atomic%) of 60% to 75% and a Ti content ratio (atomic%) of 20% or more with respect to the total amount of metal elements.
Nitride or carbonitride containing Al and Ti is a film type excellent in heat resistance and wear resistance. The b layer has an Al content ratio (atomic%) of 60% or more with respect to the total amount of metal elements, so that welding to the cutting edge of the cutting tool is easily suppressed during processing, and cutting resistance during processing is reduced. It tends to decrease. When the Al content in the b layer is less than 60%, the cutting resistance during processing increases and the heat resistance of the coating tends to decrease. In addition, when the Al content of the b layer is more than 75%, the crystal structure of a fragile hexagonal close-packed (hcp; hereinafter sometimes abbreviated as “hcp”) structure is likely to be the main component, and the coated cutting The durability of the tool tends to decrease.
The b layer is preferably provided immediately above the a layer, so that the adhesion between the base material and the b layer is enhanced, and the effect of reducing cutting resistance during processing is effectively exhibited.
ｂ層の結晶構造をｆｃｃ構造とするためには、金属元素の総量に対し、Ｔｉの含有比率（原子％）を２０％以上とする。ｂ層のＴｉが２０％未満であると、耐摩耗性が低下するとともに、被覆切削工具として優れた耐久性を実現できるｆｃｃ構造とすることが困難となる。高硬度鋼の切削加工において、より優れた耐久性を実現するには、ｂ層は、ＡｌとＴｉの合計の含有比率（原子％）が９０％以上であることが好ましい。 In order to change the crystal structure of the b layer to the fcc structure, the Ti content ratio (atomic%) is set to 20% or more with respect to the total amount of metal elements. When Ti of the b layer is less than 20%, the wear resistance is lowered and it is difficult to obtain an fcc structure capable of realizing excellent durability as a coated cutting tool. In order to realize more excellent durability in cutting of hard steel, the b layer preferably has a total content ratio (atomic%) of Al and Ti of 90% or more.
ｂ層は、ＡｌとＴｉの含有量を考慮し、ｆｃｃ構造の結晶構造を維持する範囲であれば、周期律表の４ａ族、５ａ族、６ａ族の金属元素およびＳｉ、Ｂから選択される１種または２種以上の元素の合計を金属元素の総量に対し、１０％以下の原子比率で含有することができる。また、ｂ層は、窒化物または炭窒化物であれば、皮膜の一部に酸素等の非金属元素を含有してもよい。ｂ層は、耐熱性が優れる傾向にある窒化物であることがより好ましい。ｂ層は、Ｗを含有することで高硬度鋼だけでなく高炭素鋼やＮｉ基超耐熱合金の切削加工においても優れた耐久性を示す傾向にあり好ましい。Ｗの含有比率（原子％）は、金属元素の総量に対し、２％以上７％以下とすることが特に好ましい。
本発明においてｆｃｃ構造であるとは、電子線回折やＸ線回折において、ｆｃｃ構造に対応するピーク強度が最大強度を示すものをいう。本発明においてｂ層は、皮膜構造の一部にｈｃｐ構造を含有してもよい。ｂ層の膜厚は１μｍ〜５μｍであることが好ましい。ｂ層の膜厚の下限については、より好ましくは１．５μｍ以上である。ｂ層の膜厚の上限については、より好ましくは３μｍ以下である。
The b layer is selected from 4a group, 5a group and 6a group metal elements of the periodic table and Si and B as long as the fcc structure crystal structure is maintained in consideration of the contents of Al and Ti. The total of one or more elements can be contained in an atomic ratio of 10% or less with respect to the total amount of metal elements. Moreover, if b layer is a nitride or carbonitride, you may contain nonmetallic elements, such as oxygen, in a part of membrane | film | coat. The b layer is more preferably a nitride that tends to have excellent heat resistance. The b layer is preferable because it contains W and tends to exhibit excellent durability not only in high-hardness steel but also in cutting of high-carbon steel and Ni-base superalloys. The content ratio (atomic%) of W is particularly preferably 2% or more and 7% or less with respect to the total amount of metal elements.
In the present invention, the fcc structure means that the peak intensity corresponding to the fcc structure shows the maximum intensity in electron beam diffraction or X-ray diffraction. In the present invention, the b layer may contain an hcp structure as part of the film structure. The film thickness of the b layer is preferably 1 μm to 5 μm. About the minimum of the film thickness of b layer, More preferably, it is 1.5 micrometers or more. About the upper limit of the film thickness of b layer, More preferably, it is 3 micrometers or less.
高硬度鋼の湿式加工においては、加熱と冷却のサイクルにより硬質皮膜が剥離し易くなることから、高い残留圧縮応力を有する硬質皮膜を保護皮膜として設けることが有効である。本発明では、金属元素の総量に対し、Ｔｉの含有比率（原子％）が最も多いＴｉＳｉ系の窒化物または炭窒化物からなるｃ層をｂ層の上に配置する。ｃ層に高い耐摩耗性を付与するために、金属元素の総量に対し、Ｔｉの含有比率（原子％）を５５％以上とすることが好ましい。また、硬質皮膜に高い残留圧縮応力を付与するために、Ｓｉの含有比率（原子％）を１０％以上とすることが好ましい。ｃ層は耐熱衝撃性が優れる高い残留圧縮応力を有する膜種であり、ｃ層を設けることでｂ層の摩耗が抑制され、高硬度鋼の切削加工においても持続的に切削抵抗が低下して工具損傷が抑制される傾向にある。
ｃ層に高い残留圧縮応力を付与した上で耐摩耗性をより高めるには、ｃ層は、金属元素の総量に対し、Ｔｉの含有比率（原子％）を６０％以上８５％以下、Ｓｉの含有比率（原子％）を１５％以上４０％以下とすることが好ましい。
In wet processing of high hardness steel, it is effective to provide a hard film having a high residual compressive stress as a protective film because the hard film is easily peeled off by heating and cooling cycles. In the present invention, a c layer made of TiSi nitride or carbonitride having the largest Ti content ratio (atomic%) with respect to the total amount of metal elements is disposed on the b layer. In order to impart high wear resistance to the c layer, the Ti content (atomic%) is preferably 55% or more with respect to the total amount of metal elements. Moreover, in order to give a high residual compressive stress to the hard coating, the Si content ratio (atomic%) is preferably 10% or more. The c layer is a film type having a high residual compressive stress with excellent thermal shock resistance. By providing the c layer, the wear of the b layer is suppressed, and the cutting resistance continuously decreases even in the cutting of high-hardness steel. Tool damage tends to be suppressed.
In order to further improve the wear resistance after applying a high residual compressive stress to the c layer, the c layer has a Ti content ratio (atomic%) of 60% to 85% with respect to the total amount of metal elements. The content ratio (atomic%) is preferably 15% or more and 40% or less.
ｃ層が薄くなり過ぎると耐摩耗性が低下する傾向にある。また、ｃ層が厚くなり過ぎれば皮膜剥離が発生し易くなる。そのため、ｃ層の膜厚は０．３μｍ〜５μｍとすることが好ましい。ｃ層の膜厚の下限については、より好ましくは０．５μｍ以上である。ｃ層の膜厚の上限については、より好ましくは３μｍ以下であり、更には２．５μｍ以下であることが好ましい。また、ｃ層は、周期律表の４ａ族、５ａ族、６ａ族の金属元素およびＡｌ、Ｂから選択される１種または２種以上の元素の合計を、金属元素の総量に対し、１０％以下の原子比率で含有することができる。
ｃ層は、窒化物または炭窒化物であれば、皮膜の一部に酸素等の非金属元素を含有してもよい。ｃ層は、耐熱性が優れる傾向にある窒化物であることがより好ましい。密着性を高めるためには、ｂ層の直上にはｃ層を設けることが好ましいが、ｂ層とｃ層の組成からなる相互積層皮膜を設けてもよい。
If the c layer becomes too thin, the wear resistance tends to decrease. Also, if the c layer becomes too thick, film peeling tends to occur. Therefore, the film thickness of the c layer is preferably 0.3 μm to 5 μm. About the minimum of the film thickness of c layer, More preferably, it is 0.5 micrometer or more. The upper limit of the thickness of the c layer is more preferably 3 μm or less, and further preferably 2.5 μm or less. In addition, the c layer has a total of one or more elements selected from Group 4a, Group 5a, Group 6a of the periodic table and Al, B, and 10% of the total amount of the metal elements. It can be contained in the following atomic ratio.
If c layer is nitride or carbonitride, you may contain nonmetallic elements, such as oxygen, in a part of membrane | film | coat. The c layer is more preferably a nitride that tends to have excellent heat resistance. In order to enhance the adhesion, it is preferable to provide the c layer immediately above the b layer, but an interlaminate film composed of the composition of the b layer and the c layer may be provided.
高硬度鋼の切削加工においては、保護皮膜であるｃ層が一定以上の膜厚を有することが好ましい。本発明の被覆切削工具は、ｃ層の膜厚を１μｍ以上とすることで、高硬度な冷間工具鋼を切削加工する場合においても、優れた耐久性を発揮することができ好ましい。例えば、切削速度２００ｍ／ｍｉｎ以上の高速加工を行った場合でも優れた耐久性を発揮することができ好ましい。更には、切削速度２５０ｍ／ｍｉｎ以上とした場合でも優れた耐久性を発揮することができ好ましい。本発明は、５５ＨＲＣ以上の冷間工具鋼の切削加工に適用することで優れた工具性能を発揮できるので好ましい。更には、６０ＨＲＣ以上の冷間工具鋼の切削加工にも適用でき好ましい。切削速度を上げることで切削に要する時間を短縮できるため金型の製造能率が向上するという効果が期待できる。
なお、本発明における切削速度とは、作業面（刃先）の速度である。つまり、刃先交換式工具であれば、インサートチップをセットしたときのインサート最外刃部の速度、ドリルやエンドミルなどの旋回工具であれば、その外周刃部の速度である。
In the cutting of high-hardness steel, it is preferable that the c layer that is a protective film has a certain thickness or more. The coated cutting tool of the present invention is preferable because the film thickness of the c layer is 1 μm or more, so that excellent durability can be exhibited even when cutting a hard tool steel having high hardness. For example, even when high speed machining at a cutting speed of 200 m / min or more is performed, excellent durability can be exhibited. Furthermore, even when the cutting speed is 250 m / min or more, excellent durability can be exhibited, which is preferable. Since this invention can exhibit the outstanding tool performance by applying to cutting of cold tool steel of 55HRC or more, it is preferred. Furthermore, it can be preferably applied to cutting of cold tool steel of 60HRC or more. Since the time required for cutting can be shortened by increasing the cutting speed, an effect that the manufacturing efficiency of the mold is improved can be expected.
The cutting speed in the present invention is the speed of the work surface (blade edge). That is, in the case of a blade-tip replaceable tool, the speed is the speed of the outermost edge of the insert when the insert tip is set, and in the case of a turning tool such as a drill or end mill, the speed of the outer peripheral edge.
本発明のａ層を形成するには、ターゲットの外周にコイル磁石を配備してアークスポットをターゲット内部に閉じ込めるような磁場構成としたカソードを用いてＴｉボンバードを実施することが好ましい。このようなカソードを用いて炭化物を形成し易い元素種であるＴｉでボンバード処理することで、基材表面の酸化物が除去されて清浄化されると共にボンバードされたＴｉイオンが基材表面のＷＣに拡散して、ナノビーム回折パターンがＷＣの結晶構造に指数付けされ、ＷおよびＴｉを含む炭化物が形成され易くなる。
また、Ｔｉボンバードの際に基材に印加する負のバイアス電圧およびターゲットへ投入する電流が低いとＷおよびＴｉを含む炭化物が形成され難い。そのため、基材に印加する負のバイアス電圧は−１０００Ｖ〜−７００Ｖとすることが好ましい。また、ターゲットへ投入する電流は８０Ａ〜１５０Ａとすることが好ましい。
ボンバードはアルゴンガス、窒素ガス、水素ガス、炭化水素系ガス等を導入しながら実施してもよいが、炉内雰囲気を１．０×１０−２Ｐａ以下の真空下で実施することで基材表面が清浄化されるとともに、拡散層が形成され易くなり好ましい。
In order to form the a layer of the present invention, it is preferable to perform Ti bombardment using a cathode having a magnetic field configuration in which a coil magnet is provided on the outer periphery of the target to confine the arc spot inside the target. By using such a cathode and bombarding with Ti, which is an element species that easily forms carbides, the oxide on the substrate surface is removed and cleaned, and the bombarded Ti ions are converted into WC on the substrate surface. And the nanobeam diffraction pattern is indexed to the crystal structure of WC, and carbides containing W and Ti are easily formed.
Further, when the negative bias voltage applied to the base material during Ti bombardment and the current applied to the target are low, carbides containing W and Ti are hardly formed. Therefore, the negative bias voltage applied to the substrate is preferably −1000 V to −700 V. Further, the current supplied to the target is preferably 80A to 150A.
Bombarding may be carried out while introducing argon gas, nitrogen gas, hydrogen gas, hydrocarbon-based gas, etc., but the substrate is formed by carrying out the furnace atmosphere under a vacuum of 1.0 × 10 −2 Pa or less. It is preferable because the surface is cleaned and a diffusion layer is easily formed.
本発明の被覆切削工具は、外周刃を主に使用するラジアスエンドミルまたはスクエアエンドミル等の工具に適用することで特に効果が発揮され易く好ましい。 The coated cutting tool of the present invention is preferable because it is particularly effective when applied to a tool such as a radius end mill or a square end mill that mainly uses an outer peripheral blade.
基材として、ＷＣ基超硬合金からなるスクエアエンドミルを用い、各条件で硬質皮膜を被覆して被覆切削工具を作製し、その特性評価を行った。硬質皮膜の成膜にはアークイオンプレーティング成膜装置を用いた。真空容器内に設置した基材にはバイアス電源が接続されおり、基材に負のＤＣバイアス電圧を印加して硬質皮膜を被覆した。
表１に成膜に用いたカソードおよびバイアス条件について示す。本発明のｂ層、ｃ層を被覆するには、ターゲットの外周および背面に永久磁石を配備し、２０．２ｍＴの平均磁束密度のカソード（以下、Ｃ１、Ｃ２と記載する。）を用いた。本発明例のメタルボンバード処理には、ターゲットの外周にコイル磁石を配備したカソード（以下、Ｃ３と記載する。）を用いた。
A square end mill made of a WC-based cemented carbide was used as a base material, and a coated cutting tool was produced by coating a hard film under each condition, and the characteristics were evaluated. An arc ion plating film forming apparatus was used for forming the hard film. A bias power source was connected to the base material installed in the vacuum vessel, and a negative DC bias voltage was applied to the base material to coat the hard film.
Table 1 shows cathodes and bias conditions used for film formation. In order to cover the b layer and the c layer of the present invention, permanent magnets were provided on the outer periphery and the back surface of the target, and cathodes having an average magnetic flux density of 20.2 mT (hereinafter referred to as C1 and C2) were used. In the metal bombardment process of the example of the present invention, a cathode (hereinafter referred to as C3) provided with a coil magnet on the outer periphery of the target was used.
本発明例１〜４および比較例１、５は、基材を真空容器内のパイプ状治具に固定し、約５００℃、１×１０−３Ｐａの真空中で加熱脱ガスを行った後、Ａｒプラズマによるクリーニングを行った。そして、８×１０−３Ｐａ以下になるように真空排気して、Ｃ３に１５０Ａのアーク電流を供給してＴｉボンバード処理を４分間実施した。その後、窒素ガスを導入して、Ｃ１に電力を投入して窒化物のｂ層を被覆した。続いてＣ２に電力を投入して窒化物のｃ層を被覆した被覆切削工具を作製した。
比較例２、３は、Ｃ２にターゲットを設けずに、Ｔｉボンバード処理後に、Ｃ１に電力を投入して単層の窒化物皮膜を被覆した。
比較例４は、基材の表面をＡｒプラズマによるクリーニングを行った後に、Ｔｉボンバード処理をせず、窒化物皮膜を被覆した。その後、Ｃ１、Ｃ２に電力を投入してそれぞれａ層、ｂ層を被覆した。
In Invention Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 5, after fixing the base material to a pipe-shaped jig in a vacuum vessel and performing heat degassing in a vacuum of about 500 ° C. and 1 × 10 −3 Pa Cleaning with Ar plasma was performed. And it vacuum-evacuated so that it might become 8 * 10 < -3 > Pa or less, The arc current of 150 A was supplied to C3, and Ti bombarding process was implemented for 4 minutes. Thereafter, nitrogen gas was introduced, and electric power was applied to C1 to coat the nitride b layer. Subsequently, power was supplied to C2 to produce a coated cutting tool coated with a nitride c layer.
In Comparative Examples 2 and 3, a target was not provided on C2, and after Ti bombarding, power was applied to C1 to coat a single-layer nitride film.
In Comparative Example 4, after the surface of the base material was cleaned with Ar plasma, Ti bombarding was not performed and the nitride film was coated. Thereafter, power was applied to C1 and C2 to coat the a layer and the b layer, respectively.
株式会社日本電子製の電子プローブマイクロアナライザー装置（型番：ＪＸＡ−８５００Ｆ）を用いて、付属の波長分散型電子プローブ微小分析（ＷＤＳ−ＥＰＭＡ）でｂ層とｃ層の皮膜組成を測定した。この皮膜組成の分析は、分析用の被覆切削工具を加工して断面観察し、各層を加速電圧１０ｋＶ、照射電流５×１０−８Ａ、取り込み時間１０秒、分析領域直径０．５μｍで５点測定してその平均から組成を求めることにより行った。 Using an electronic probe microanalyzer device (model number: JXA-8500F) manufactured by JEOL Ltd., the coating compositions of the b layer and the c layer were measured by the attached wavelength dispersion type electron probe microanalysis (WDS-EPMA). The analysis of the coating composition was performed by processing a coated cutting tool for analysis and observing a cross section. Each layer was subjected to an acceleration voltage of 10 kV, an irradiation current of 5 × 10 −8 A, an acquisition time of 10 seconds, and an analysis region diameter of 0.5 μm at 5 points The measurement was performed by determining the composition from the average.
分析用の被覆切削工具を加工してＴＥＭ解析を行った。装置は、日本電子株式会社製の電界放出型透過電子顕微鏡（型番：ＪＥＭ−２０１０Ｆ型）を用いた。制限視野回折パターンから、本発明例１〜４、比較例１〜５のｂ層は、ｆｃｃ構造に対応するピーク強度が最大強度を示し、ｆｃｃ構造であることを確認した。また、ｈｃｐ構造に対応するピーク強度は僅かに確認された。 A coated cutting tool for analysis was processed and TEM analysis was performed. As the apparatus, a field emission transmission electron microscope (model number: JEM-2010F type) manufactured by JEOL Ltd. was used. From the limited field diffraction pattern, it was confirmed that the b layers of Invention Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 5 had the peak intensity corresponding to the fcc structure and the fcc structure. Further, the peak intensity corresponding to the hcp structure was slightly confirmed.
工具刃先部分について、膜面に垂直な面で切断した場合の切断面をＴＥＭで解析した。ａ層の組成は付属のＵＴＷ型Ｓｉ（Ｌｉ）半導体検出器を用いてビーム径１ｎｍで分析した。ナノビーム回折は、カメラ長５０ｃｍとし、２ｎｍ以下のビーム径で分析した。ＥＤＳスペクトル分析およびナノビーム回折パターンから、基材、ａ層、ｂ層の確認を行った。ＥＤＳスペクトル分析結果から、本発明例のａ層は、金属元素の含有比率（原子％）でＷを最も多く含有し、次いでＴｉを多く含有することを確認した。金属元素の含有比率（原子％）でＷの含有比率（原子％）は約８０％であった。また、Ｔｉの含有比率(原子％)は約１５％であった。また、ＷおよびＴｉ以外には硬質皮膜の成分であるＡｌ、Ｎを含有していた。また、母材成分であるＣｏも僅かに含有していた。そして、本発明例のａ層はナノビーム回折パターンがＷＣの結晶構造に指数付けが可能であった。ＥＤＳスペクトル分析およびナノビーム回折パターンから、本発明例のａ層はＷＣの結晶構造に指数付けされ、タングステン（Ｗ）とチタン（Ｔｉ）を含有する炭化物であることを確認した。各試料の物性評価の結果を表２に示す。 About the tool blade edge | tip part, the cut surface at the time of cut | disconnecting in a surface perpendicular | vertical to a film surface was analyzed by TEM. The composition of the a layer was analyzed at a beam diameter of 1 nm using the attached UTW type Si (Li) semiconductor detector. Nanobeam diffraction was performed with a camera length of 50 cm and a beam diameter of 2 nm or less. From the EDS spectrum analysis and the nanobeam diffraction pattern, the substrate, a layer, and b layer were confirmed. From the EDS spectrum analysis results, it was confirmed that the layer a of the present invention example contained the largest amount of W in the metal element content ratio (atomic%) and then contained a large amount of Ti. The content ratio (atomic%) of W was about 80% with the content ratio (atomic%) of the metal element. The Ti content ratio (atomic%) was about 15%. In addition to W and Ti, Al and N, which are hard film components, were contained. Further, Co, which is a base material component, was also slightly contained. The layer a of the present invention example could be indexed to the crystal structure of the WC nanobeam diffraction pattern. From the EDS spectrum analysis and the nanobeam diffraction pattern, it was confirmed that the layer a of the example of the present invention was indexed to the crystal structure of WC and was a carbide containing tungsten (W) and titanium (Ti). The results of physical property evaluation of each sample are shown in Table 2.
作製した被覆切削工具を用いて切削試験を行った。表２に切削試験結果を示す。切削条件は以下の通りである。
工具：スクエアエンドミル（ＣＥＰＲ６０８０）
φ８×６枚刃（日立ツール株式会社製）
基材：ＷＣ（ｂａｌ．）−Ｃｏ（８質量％）−ＴａＣ（０．２５質量％）−Ｃｒ３Ｃ２（０．９質量％）、ＷＣ平均粒径０．６μｍ、硬度９３．４ＨＲＡの超硬合金
切削方法：側面切削
被削材：ＳＫＤ１１（６０ＨＲＣ）
切込み：軸方向、９ｍｍ、径方向、０．１６ｍｍ
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ
一刃送り量：０．０６ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
切削油：エアーブロー
切削距離：１０ｍ
A cutting test was performed using the manufactured coated cutting tool. Table 2 shows the cutting test results. Cutting conditions are as follows.
Tool: Square end mill (CEPR6080)
φ8 × 6 blades (Hitachi Tool Co., Ltd.)
Base material: WC (bal.)-Co (8 mass%)-TaC (0.25 mass%)-Cr 3 C 2 (0.9 mass%), WC average particle diameter 0.6 μm, hardness 93.4HRA Cemented carbide cutting method: Side cutting Work material: SKD11 (60HRC)
Cutting depth: axial direction, 9 mm, radial direction, 0.16 mm
Cutting speed: 150 m / min
Single blade feed rate: 0.06mm / tooth
Cutting oil: Air blow Cutting distance: 10m
本発明例は、保護皮膜として高い残留圧縮応力を有するｃ層を設けているため、高硬度鋼の切削加工においても工具損傷が少なくなることを確認した。
比較例１は、ｂ層のＡｌ含有量が少ないため、本発明例よりも切削加工中の抵抗が大きくなり工具刃先の最大摩耗幅が大きくなった。
比較例２、３は、保護皮膜として高い残留圧縮応力を有するｃ層を設けていないため、高硬度鋼の切削加工において、本発明例に比べて工具刃先の最大摩耗幅が大きくなることを確認した。
比較例４は、基材とｂ層の密着性が十分でないため、工具刃先の最大摩耗幅が大きくなった。
比較例５は、高い残留圧縮応力を付与できないＡｌＣｒＮを保護皮膜として設けたため、工具刃先の最大摩耗幅が大きくなった。
Since the c example which has high residual compressive stress was provided as the protective film in the example of the present invention, it was confirmed that the tool damage was reduced even in the cutting of high hardness steel.
In Comparative Example 1, since the Al content in the b layer was small, the resistance during cutting was larger than that of the inventive example, and the maximum wear width of the tool edge was increased.
In Comparative Examples 2 and 3, since the c layer having a high residual compressive stress is not provided as a protective coating, it is confirmed that the maximum wear width of the tool edge is larger in cutting of hard steel than in the present invention. did.
In Comparative Example 4, since the adhesion between the base material and the b layer was not sufficient, the maximum wear width of the tool blade edge was increased.
Since the comparative example 5 provided AlCrN which cannot give a high residual compressive stress as a protective film, the maximum wear width of the tool edge became large.
実施例１で評価した本発明例１、２について、切削速度を速めて評価した。切削条件は以下の通りである。試験結果を表３に示す。
工具：スクエアエンドミル（ＣＥＰＲ６０８０）
φ８×６枚刃（日立ツール株式会社製）
基材：ＷＣ（ｂａｌ．）−Ｃｏ（８質量％）−ＴａＣ（０．２５質量％）−Ｃｒ３Ｃ２（０．９質量％）、ＷＣ平均粒径０．６μｍ、硬度９３．４ＨＲＡの超硬合金
切削方法：側面切削
被削材：ＳＫＤ１１（６０ＨＲＣ）
切込み：軸方向、９ｍｍ、径方向、０．１６ｍｍ
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ
一刃送り量：０．０６ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
切削油：エアーブロー
切削距離：１．２５ｍ
The inventive examples 1 and 2 evaluated in Example 1 were evaluated by increasing the cutting speed. Cutting conditions are as follows. The test results are shown in Table 3.
Tool: Square end mill (CEPR6080)
φ8 × 6 blades (Hitachi Tool Co., Ltd.)
Base material: WC (bal.)-Co (8 mass%)-TaC (0.25 mass%)-Cr 3 C 2 (0.9 mass%), WC average particle diameter 0.6 μm, hardness 93.4HRA Cemented carbide cutting method: Side cutting Work material: SKD11 (60HRC)
Cutting depth: axial direction, 9 mm, radial direction, 0.16 mm
Cutting speed: 250 m / min
Single blade feed rate: 0.06mm / tooth
Cutting oil: Air blow Cutting distance: 1.25m
図１、２に切削試験後の工具刃先の観察写真を示す。ｃ層の膜厚が１μｍ以上とした本発明例２の方が、本発明例１よりも工具刃先の最大摩耗幅が抑制されており、より高速での切削加工に有効であることが確認された。 1 and 2 show observation photographs of the tool edge after the cutting test. It is confirmed that the present invention example 2 in which the film thickness of the c layer is 1 μm or more suppresses the maximum wear width of the tool edge than the present invention example 1, and is more effective for cutting at a higher speed. It was.
Claims (2)
前記基材の上に配置され、ナノビーム回折パターンがＷＣの結晶構造に指数付けされ、ＷとＴｉを含有する炭化物からなるａ層と、
前記ａ層の上に配置され、金属（半金属を含む）元素の総量に対し、Ａｌの含有比率（原子％）が６０％以上７５％以下、Ｔｉの含有比率（原子％）が２０％以上である窒化物または炭窒化物からなるｂ層と、
前記ｂ層の上に配置され、金属（半金属を含む）元素の総量に対し、Ｔｉの含有比率（原子％）が最も多いＴｉＳｉ系の窒化物または炭窒化物からなるｃ層と、を含み、
前記ａ層の膜厚は１ｎｍ〜１０ｎｍであり、前記ｂ層の結晶構造が面心立方格子構造である被覆切削工具。 A substrate;
An a layer of carbide comprising W and Ti disposed on the substrate, the nanobeam diffraction pattern being indexed to the crystal structure of WC, and
The Al content ratio (atomic%) is 60% to 75% and the Ti content ratio (atomic%) is 20% or more with respect to the total amount of metal (including metalloid) elements disposed on the a layer. A layer b made of nitride or carbonitride that is
A c layer made of TiSi-based nitride or carbonitride having the highest Ti content ratio (atomic%) with respect to the total amount of metal (including metalloid) elements disposed on the b layer. ,
A coated cutting tool in which the thickness of the a layer is 1 nm to 10 nm, and the crystal structure of the b layer is a face-centered cubic lattice structure.
The coated cutting tool according to claim 1, wherein the film thickness of the c layer is 1 μm or more.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2014215128A JP6385237B2 (en) | 2013-10-22 | 2014-10-22 | Coated cutting tool |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2013219248 | 2013-10-22 | ||
| JP2013219248 | 2013-10-22 | ||
| JP2014215128A JP6385237B2 (en) | 2013-10-22 | 2014-10-22 | Coated cutting tool |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2015107546A JP2015107546A (en) | 2015-06-11 |
| JP6385237B2 true JP6385237B2 (en) | 2018-09-05 |
Family
ID=53438331
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2014215128A Active JP6385237B2 (en) | 2013-10-22 | 2014-10-22 | Coated cutting tool |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP6385237B2 (en) |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3248897B2 (en) * | 1999-03-19 | 2002-01-21 | 日立ツール株式会社 | Hard coating tool |
| JP3347687B2 (en) * | 1999-05-19 | 2002-11-20 | 日立ツール株式会社 | Hard coating tool |
| JP4211500B2 (en) * | 2003-06-11 | 2009-01-21 | 三菱マテリアル株式会社 | Surface coated cermet cutting tool with excellent wear resistance due to high hard cutting layer in high speed cutting |
| JP4747268B2 (en) * | 2005-05-25 | 2011-08-17 | 三菱マテリアル株式会社 | Surface coated cemented carbide cutting tool with high temperature strength with excellent hard coating layer |
| JP2009061520A (en) * | 2007-09-05 | 2009-03-26 | Mitsubishi Materials Corp | Surface-coated cutting tool with hard coating layer exhibiting excellent abrasion resistance in high-speed cutting |
| DE102010039035A1 (en) * | 2010-08-06 | 2012-02-09 | Walter Ag | Cutting tool with multilayer coating |
| US8440328B2 (en) * | 2011-03-18 | 2013-05-14 | Kennametal Inc. | Coating for improved wear resistance |
| WO2013018768A1 (en) * | 2011-08-01 | 2013-02-07 | 日立ツール株式会社 | Surface-modified wc-based cemented carbide member, hard film-coated wc-based cemented carbide member, method for producing surface-modified wc-based cemented carbide member, and method for producing hard film-coated wc-based cemented carbide member |
-
2014
- 2014-10-22 JP JP2014215128A patent/JP6385237B2/en active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2015107546A (en) | 2015-06-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10156010B2 (en) | Coated cutting tool and method for producing the same | |
| JP5673904B1 (en) | Coated cutting tool and manufacturing method thereof | |
| JP6525310B2 (en) | Coated tools | |
| JP2009078351A (en) | Method of manufacturing coated cutting tool | |
| US11465214B2 (en) | Coated cutting tool | |
| US11224921B2 (en) | Coated cutting tool | |
| JP2017001147A (en) | Coated cutting tool | |
| JP6555796B2 (en) | Coated cutting tool | |
| WO2014142190A1 (en) | Hard film, hard film covered member, and method for manufacturing hard film and hard film covered member | |
| JP6163141B2 (en) | Hard coating | |
| JP5700171B2 (en) | Coated cutting tool | |
| JP6385233B2 (en) | Coated cutting tool | |
| JP6529262B2 (en) | Coated tools | |
| JP6385243B2 (en) | Coated cutting tool | |
| JP6385237B2 (en) | Coated cutting tool | |
| JP2007119810A (en) | Coated member | |
| WO2019035219A1 (en) | Coated cutting tool | |
| JP2015174196A (en) | Manufacturing method of coated cutting tool | |
| JP7164828B2 (en) | coated cutting tools | |
| WO2019188967A1 (en) | Surface-coated cutting tool | |
| JP2016064488A (en) | Coated cutting tool | |
| JP2015174194A (en) | coated cutting tool | |
| JP2012192513A (en) | Surface coated cutting tool excellent in peel resistance and wear resistance | |
| JP2014079875A (en) | Method of producing coated tool | |
| JP2014069239A (en) | Method of producing coated tool having excellent durability |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20170911 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20180614 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20180730 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20180807 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6385237 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
| S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |