JP6488106B2 - Surface-coated cutting tool with excellent chipping resistance in high-speed intermittent cutting - Google Patents

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Description

この発明は、刃先に高負荷が作用する高速断続切削加工において、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具(以下、「被覆工具」という)に関する。   The present invention relates to a surface-coated cutting tool (hereinafter referred to as “coated tool”) that exhibits excellent chipping resistance in a hard coating layer in high-speed intermittent cutting where a high load acts on the cutting edge.

従来から、工具基体表面に、周期律表の4a、5a、6a族から選ばれた少なくとも1種以上の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物等からなる硬質皮膜を被覆形成することにより、切削工具の耐摩耗性向上を図ることが知られている。
そして、硬質皮膜のうちでも、α型酸化アルミニウム層は、熱安定性に優れ、反応性が低く、かつ、高硬度であるという点から、上記周期律表の4a、5a、6a族から選ばれた少なくとも1種以上の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物等からなる硬質皮膜の最表面層として、α型酸化アルミニウム層を被覆形成した被覆工具が知られているが、切削条件が厳しくなるにしたがって、それに耐え得る切削性能を備えた被覆工具が求められており、そのため、硬質皮膜の最表面層を構成するα型酸化アルミニウム層についても種々の改良・提案がなされている。
Conventionally, cutting is performed by coating a hard film made of carbide, nitride, carbonitride, or the like of at least one element selected from groups 4a, 5a, and 6a of the periodic table on the tool base surface. It is known to improve the wear resistance of tools.
Among the hard coatings, the α-type aluminum oxide layer is selected from groups 4a, 5a, and 6a in the periodic table from the viewpoints of excellent thermal stability, low reactivity, and high hardness. Further, a coated tool having an α-type aluminum oxide layer formed thereon is known as the outermost surface layer of a hard coating made of carbide, nitride, carbonitride, or the like of at least one element, but cutting conditions are severe. Accordingly, there is a need for a coated tool having cutting performance that can withstand it, and various improvements and proposals have been made for the α-type aluminum oxide layer that constitutes the outermost surface layer of the hard coating.

例えば、特許文献1では、表面被覆切削工具の硬質被覆層として、少なくとも酸化アルミニウム層を5〜20μm化学蒸着法で被覆形成し、かつ、酸化アルミニウム層中にTi酸化物を固溶あるいは30容量%以下含有させることによって、表面被覆切削工具の靭性、密着性、耐摩耗性を改善することが提案されている。   For example, in Patent Document 1, at least an aluminum oxide layer is formed by a chemical vapor deposition method as a hard coating layer of a surface-coated cutting tool, and Ti oxide is dissolved or 30% by volume in the aluminum oxide layer. It has been proposed to improve the toughness, adhesion, and wear resistance of the surface-coated cutting tool by containing the following.

特許文献2では、表面被覆切削工具の硬質被覆層として、少なくともAl相と、ZrO及び/又はHfOより成る第2相と、TiO等の第3の微細分散相を含有する硬質被覆層を化学蒸着法で形成することにより、表面被覆切削工具の耐摩耗性を改善することが提案されている。 In Patent Document 2, the hard coating layer of the surface-coated cutting tool contains at least an Al 2 O 3 phase, a second phase composed of ZrO 2 and / or HfO 2, and a third finely dispersed phase such as TiO X. It has been proposed to improve the wear resistance of surface-coated cutting tools by forming a hard coating layer by chemical vapor deposition.

また、特許文献3では、工具基体、硬質皮膜の特性の劣化・変形を招かないように、低温条件下(1000℃以下)での物理蒸着法によるα型アルミナ層の形成方法として、工具基体表面に、Alと、4a族、5a族、6a族およびSiよりなる群から選択される少なくとも1種の元素とを必須成分とする窒化物、炭化物、炭窒化物、ほう化物、窒酸化物、炭窒酸化物からなる硬質皮膜を物理蒸着法で形成した後、該硬質皮膜を酸化することによって酸化物含有層を形成し、該酸化物含有層上に物理蒸着することにより、最表面層としての耐摩耗性および耐熱性に優れたα型結晶構造を主体とするアルミナ層を蒸着形成することが提案されている。   Further, in Patent Document 3, the surface of the tool substrate is formed as a method for forming the α-type alumina layer by physical vapor deposition under a low temperature condition (1000 ° C. or less) so as not to cause deterioration and deformation of the characteristics of the tool substrate and the hard film. And nitrides, carbides, carbonitrides, borides, nitrogen oxides, charcoal containing Al and at least one element selected from the group consisting of 4a group, 5a group, 6a group and Si. After forming a hard film made of a nitride oxide by physical vapor deposition, an oxide-containing layer is formed by oxidizing the hard film, and physical vapor deposition is performed on the oxide-containing layer to form an outermost surface layer. It has been proposed to vapor-deposit an alumina layer mainly composed of an α-type crystal structure having excellent wear resistance and heat resistance.

さらに、特許文献4では、工具基体の少なくとも最表面に、0.05〜5μmの膜厚を有し、コランダム型の結晶構造を有するαアルミナ構造の酸化アルミニウム層を被覆形成する表面被覆切削工具の製造方法において、酸化アルミニウム層は、アルミニウムのアルコキシドにアルコール(好ましくは、平均粒径10〜300nmのαアルミナ粒子を含有するアルコール)を添加し、さらに酸(例えば、希塩酸)を添加した後、10℃以下の低温にて攪拌してゾルを生成させ、該ゾル中に含まれるアルミニウムと水のモル比が1:30〜1:150になるようにゾルに水を添加した後、15〜80℃の温度にて加熱・攪拌する高結晶化処理を施し、該高結晶化処理を施したゾルを上記工具基体表面へ、あるいは、工具基体表面上に形成した硬質皮膜の最表面に塗布し、引き続き、100〜400℃での乾燥処理を1回以上繰り返し行い、次いで、500〜1000℃の温度範囲で焼成処理を行うゾル−ゲル法によって被覆形成することにより、被覆工具の耐摩耗性を改善することが提案されている。   Furthermore, Patent Document 4 discloses a surface-coated cutting tool for coating an α-alumina-structured aluminum oxide layer having a film thickness of 0.05 to 5 μm and having a corundum type crystal structure on at least the outermost surface of a tool base. In the production method, the aluminum oxide layer is prepared by adding an alcohol (preferably an alcohol containing α-alumina particles having an average particle diameter of 10 to 300 nm) to an aluminum alkoxide, and further adding an acid (for example, dilute hydrochloric acid). A sol is produced by stirring at a low temperature of ℃ or less, and water is added to the sol so that the molar ratio of aluminum to water contained in the sol is 1:30 to 1: 150. A hard crystallization process is performed by heating and stirring at a temperature of 5 ° C., and the sol subjected to the high crystallization process is formed on the tool base surface or on the tool base surface. By coating on the outermost surface of the film, and subsequently repeating the drying process at 100 to 400 ° C. one or more times, and then performing a coating process by a sol-gel method in which a baking process is performed at a temperature range of 500 to 1000 ° C. It has been proposed to improve the wear resistance of the coated tool.

特許文献5では、工具基体の少なくとも最表面に、0.2〜5μmの平均層厚を有し、かつ、平滑性の高い酸化アルミニウム層をゾル−ゲル法により形成した表面被覆切削工具において、酸化アルミニウム層は、素地及び素地中に分散した球状組織からなり、該素地は酸化アルミニウム結晶相及びアモルファス相から構成され、また、該球状組織は、針状結晶相、板状結晶相のうちの一種または二種とアモルファス相との集合体からなり、酸化アルミニウム層の縦断面に含有される球状組織の占める面積の割合は20〜60面積%、また、近似円の半径は、0.02〜0.5μmとすることによって、鋳鉄、炭素鋼等の高速重切削加工において、硬質被覆層の潤滑性、耐摩耗性を向上させることが提案されている。   In Patent Document 5, in a surface-coated cutting tool in which an aluminum oxide layer having an average layer thickness of 0.2 to 5 μm and high smoothness is formed on at least the outermost surface of a tool base by a sol-gel method, The aluminum layer is composed of a substrate and a spherical structure dispersed in the substrate, and the substrate is composed of an aluminum oxide crystal phase and an amorphous phase. The spherical structure is a kind of acicular crystal phase and plate-like crystal phase. Or it consists of an aggregate | assembly of 2 types and an amorphous phase, and the ratio of the area which the spherical structure | tissue which contains in the longitudinal cross-section of an aluminum oxide layer occupies 20-60 area%, and the radius of an approximate circle is 0.02-0. It has been proposed to improve the lubricity and wear resistance of the hard coating layer in high-speed heavy cutting such as cast iron and carbon steel by setting the thickness to 0.5 μm.

特開昭61−195975号公報JP-A 61-195975 特開2002−526654号公報JP 2002-526654 A 特開2004−124246号公報JP 2004-124246 A 特開2013−53344号公報JP 2013-53344 A 特開2013−139076号公報JP 2013-139076 A

上記特許文献1,2において提案されている酸化アルミニウム層を化学蒸着で形成した被覆工具においては、形成されるα型酸化アルミニウムの熱安定性、非反応性により、通常条件下での切削加工では、ある程度の靭性、耐摩耗性を発揮するが、例えば、高熱発生を伴い、切れ刃に断続的・衝撃的負荷が作用する切削加工に用いた場合には、チッピング、欠損が発生しやすく、これが原因となり、長期の使用にわたって十分な耐摩耗性を発揮し得ないという問題があった。   In the coated tool in which the aluminum oxide layer proposed in Patent Documents 1 and 2 is formed by chemical vapor deposition, in the cutting process under normal conditions due to the thermal stability and non-reactivity of the formed α-type aluminum oxide. It exhibits a certain degree of toughness and wear resistance, but for example, when it is used for cutting with high heat generation and intermittent and impact loads on the cutting edge, chipping and chipping are likely to occur. This has caused a problem that sufficient wear resistance cannot be exhibited over a long period of use.

また、上記特許文献3において提案されている物理蒸着により形成した酸化アルミニウム層を硬質被覆層とする被覆工具においては、酸化アルミニウム層の高温安定性が乏しく、また、硬さも十分でないため、耐摩耗性が劣るという問題があった。   Further, in the coated tool in which the aluminum oxide layer formed by physical vapor deposition proposed in Patent Document 3 is a hard coating layer, the high-temperature stability of the aluminum oxide layer is poor and the hardness is not sufficient. There was a problem of inferiority.

また、上記特許文献4,5において提案されているゾル−ゲル法により酸化アルミニウム層を形成した被覆工具では、硬質被覆層を熱安定性にすぐれ、非反応性の高いα−Alにするために、ゾル中に水や塩酸を加え、加熱することで加水分解・縮重合反応を促進させ、最密構造をとるα型に近い緻密なAl−Oの結合を分散させたゾルを成膜に使用することで高い結晶性を有するα−Alを形成していた。そして、これを鋳鉄・鋼の高速連続切削に用いた場合には長寿命を発揮するものの、大きな衝撃の加わる鋼の高速断続切削においては、膜組織が球状組織や針状・板状結晶粒からなり、均一性に乏しく、その不均一性や針状結晶粒の尖端などからクラックが発生するなどしてチッピング、欠損、剥離等の異常損傷を発生し易く、これが原因となり、長期の使用にわたって十分な耐摩耗性を発揮し得ないという問題があった。 In the coated tool in which the aluminum oxide layer is formed by the sol-gel method proposed in Patent Documents 4 and 5, the hard coating layer is excellent in thermal stability and is made into α-Al 2 O 3 having high nonreactivity. Therefore, by adding water or hydrochloric acid to the sol and heating it, the hydrolysis / condensation polymerization reaction is promoted, and a sol in which dense Al-O bonds close to α-type with a close-packed structure are dispersed is formed. Α-Al 2 O 3 having high crystallinity was formed by using the film. And when this is used for high-speed continuous cutting of cast iron and steel, it exhibits a long life, but in high-speed intermittent cutting of steel that is subject to a large impact, the film structure is made up of spherical structures and needle-like / plate-like crystal grains. It is poor in uniformity, and it is easy to cause abnormal damage such as chipping, chipping, peeling, etc. due to the nonuniformity and cracks from the tip of needle-like crystal grains, etc. There was a problem that it was not possible to exhibit excellent wear resistance.

そこで、本発明者等は、ゾル−ゲル法により、工具基体表面に耐チッピング性に優れた酸化アルミニウム層を形成すべく鋭意検討したところ、アルミナゾル中にTi酸化物微粒子を予め添加したアルミナゾルを用いたゾル-ゲル法によりα型の酸化アルミニウム層を形成することで、形成されるα型の酸化アルミニウム結晶粒を比較的大きな粒径で、かつ、その形状を球状化、楕円体状化することができ、さらに、従来のゾルーゲル法で形成されていた脆弱組織の形成を抑制し得ることを見出した。
そして、このような酸化アルミニウム層を被覆形成した被覆工具を、高熱発生を伴い、かつ、切れ刃に断続的・衝撃的負荷が作用する高速断続切削加工に供した場合には、チッピング、欠損等を発生することがなく、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮することを見出したのである。
Therefore, the inventors of the present invention have intensively studied to form an aluminum oxide layer having excellent chipping resistance on the surface of the tool base by the sol-gel method. As a result, an alumina sol in which Ti oxide fine particles are added in advance to the alumina sol is used. By forming an α-type aluminum oxide layer by the conventional sol-gel method, the α-type aluminum oxide crystal grains to be formed have a relatively large particle size, and the shape thereof is made spherical and elliptical. Furthermore, the present inventors have found that the formation of fragile tissue formed by the conventional sol-gel method can be suppressed.
And, when the coated tool formed with such an aluminum oxide layer is subjected to high-speed intermittent cutting with high heat generation and intermittent / impact load acting on the cutting edge, chipping, chipping, etc. It has been found that it exhibits excellent wear resistance over a long period of use.

この発明は、上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、炭窒化チタン基サーメットからなる工具基体の表面に、硬質被覆層を被覆してなる表面被覆切削工具において、
(a)上記硬質被覆層の最表面層は、0.2〜5.0μmの平均層厚を有するα型の酸化アルミニウム層からなり、
(b)上記α型の酸化アルミニウム層を構成するα型の酸化アルミニウム結晶粒の平均結晶粒径は、上記α型の酸化アルミニウム層の平均層厚より小さく、かつ、0.05〜0.4μmの範囲内であり、
(c)上記α型の酸化アルミニウム層の断面を観察し、0.05〜0.4μmの範囲内の平均結晶粒径を有する上記α型の酸化アルミニウム結晶粒の断面形状を近似して各結晶粒の曲率を求めた場合に、形状近似した各結晶粒の曲率の最大値が70(μm)−1以下であるα型の酸化アルミニウム結晶粒が、観察視野中に存在する全結晶粒の60面積%以上を占めることを特徴とする表面被覆切削工具。
(2) 炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体の表面に、硬質被覆層を被覆形成してなる表面被覆切削工具において、
上記工具基体の表面から深さ方向に0.5〜3.0μmの平均層厚を有する基体表面硬化層が形成され、該基体表面硬化層に含まれる結合相金属としてのCoの平均含有量が、2.0質量%未満であることを特徴とする(1)に記載の表面被覆切削工具。
(3) 炭窒化チタン基サーメットからなる工具基体の表面に、硬質被覆層を被覆形成してなる表面被覆切削工具において、
上記工具基体の表面から深さ方向に0.5〜3.0μmの平均層厚を有する基体表面硬化層が形成され、該基体表面硬化層に含まれる結合相金属としてのCo及びNiの合計平均含有量が、2.0質量%未満であることを特徴とする(1)に記載の表面被覆切削工具。
(4) 上記α型の酸化アルミニウム層は微粒のTi酸化物を含有し、該α型の酸化アルミニウム層に含有されるTiの含有量は、α型の酸化アルミニウム層中に含有される全金属元素の0.2〜10原子%であることを特徴とする(1)〜(3)に記載の表面被覆切削工具。
(5) 上記α型の酸化アルミニウム層は、予めTi酸化物微粒子を添加したゾルを用いたゾル−ゲル法により形成ることを特徴とする(4)に記載の表面被覆切削工具の製造方法。」
を特徴とするものである。
This invention has been made based on the above findings,
“(1) In a surface-coated cutting tool in which a hard coating layer is coated on the surface of a tool base made of tungsten carbide-based cemented carbide or titanium carbonitride-based cermet,
(A) The outermost surface layer of the hard coating layer is composed of an α-type aluminum oxide layer having an average layer thickness of 0.2 to 5.0 μm,
(B) The average crystal grain size of the α-type aluminum oxide crystal grains constituting the α-type aluminum oxide layer is smaller than the average layer thickness of the α-type aluminum oxide layer and is 0.05 to 0.4 μm. Within the range of
(C) Observe the cross-section of the α-type aluminum oxide layer and approximate the cross-sectional shape of the α-type aluminum oxide crystal grains having an average crystal grain size in the range of 0.05 to 0.4 μm. When the curvature of the grains is obtained, α-type aluminum oxide crystal grains whose maximum value of the curvature of each crystal grain whose shape is approximated are 70 (μm) −1 or less are 60% of all crystal grains present in the observation field. A surface-coated cutting tool characterized by occupying at least area%.
(2) In a surface-coated cutting tool formed by coating a hard coating layer on the surface of a tool base made of a tungsten carbide-based cemented carbide,
A base surface hardened layer having an average layer thickness of 0.5 to 3.0 μm in the depth direction from the surface of the tool base is formed, and an average content of Co as a binder phase metal contained in the base surface hardened layer is The surface-coated cutting tool according to (1), which is less than 2.0% by mass.
(3) In a surface-coated cutting tool formed by coating a hard coating layer on the surface of a tool base composed of a titanium carbonitride-based cermet,
A base surface hardened layer having an average layer thickness of 0.5 to 3.0 μm in the depth direction from the surface of the tool base is formed, and the total average of Co and Ni as binder phase metals contained in the base surface hardened layer Content is less than 2.0 mass%, The surface-coated cutting tool as described in (1) characterized by the above-mentioned.
(4) The α-type aluminum oxide layer contains fine Ti oxide, and the content of Ti contained in the α-type aluminum oxide layer is the total metal contained in the α-type aluminum oxide layer. The surface-coated cutting tool according to any one of (1) to (3), which is 0.2 to 10 atomic% of the element.
(5) the α-type aluminum oxide layer of the pre-Ti oxide particles with a sol obtained by adding a sol - method for producing a surface-coated cutting tool having the constitution that you formed gel method (4) . "
It is characterized by.

以下、本発明について、詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail.

この発明の被覆工具は、硬質被覆層として、ゾル−ゲル法により成膜した平均層厚0.2〜5.0μmのα型の酸化アルミニウム層を備えるが、該層の平均層厚が0.2μm未満であると、長期の使用に亘って十分な耐摩耗性を発揮することができず、一方、平均層厚が5.0μmを超えると、チッピングが発生しやすくなるため、α型の酸化アルミニウム層の層厚は0.2〜5.0μmと定めた。   The coated tool of the present invention includes an α-type aluminum oxide layer having an average layer thickness of 0.2 to 5.0 μm formed as a hard coating layer by a sol-gel method. If it is less than 2 μm, sufficient wear resistance cannot be exhibited over a long period of use. On the other hand, if the average layer thickness exceeds 5.0 μm, chipping tends to occur. The layer thickness of the aluminum layer was determined to be 0.2 to 5.0 μm.

上記α型の酸化アルミニウム層を構成するα型の酸化アルミニウム結晶粒の形状は、球状または楕円体状であって、平均結晶粒径は、酸化アルミニウム層の平均層厚より小さく、かつ、0.05〜0.4μmの範囲内である。
α型の酸化アルミニウム結晶粒の形状が、球状または楕円体状でない場合には、切れ刃に高負荷が作用した場合にクラックの発生を抑制することができず、耐チッピング性、耐欠損性の向上を望めない。
また、α型の酸化アルミニウム結晶粒の平均結晶粒径が0.05μm未満の場合には、耐摩耗性が十分でなく、一方、平均結晶粒径が0.4μmを超える場合あるいは酸化アルミニウム層の平均層厚より大きくなる場合には、α型の酸化アルミニウム層の表面粗さが粗くなり、チッピング、欠損を発生し易くなる。
したがって、α型の酸化アルミニウム結晶粒の形状は、球状または楕円体状であって、平均結晶粒径は、酸化アルミニウム層の平均層厚より小さく、かつ、0.05〜0.4μmの範囲内とする。
The α-type aluminum oxide crystal grains constituting the α-type aluminum oxide layer have a spherical or ellipsoidal shape, the average crystal grain size is smaller than the average thickness of the aluminum oxide layer, and It is in the range of 05 to 0.4 μm.
When the shape of the α-type aluminum oxide crystal grains is not spherical or ellipsoidal, the occurrence of cracks cannot be suppressed when a high load acts on the cutting edge, and chipping resistance and chipping resistance I can't expect improvement.
In addition, when the average crystal grain size of the α-type aluminum oxide crystal grains is less than 0.05 μm, the wear resistance is not sufficient, while when the average crystal grain size exceeds 0.4 μm or the aluminum oxide layer When the thickness is larger than the average layer thickness, the surface roughness of the α-type aluminum oxide layer becomes rough, and chipping and defects are likely to occur.
Accordingly, the shape of the α-type aluminum oxide crystal grains is spherical or ellipsoidal, and the average crystal grain size is smaller than the average layer thickness of the aluminum oxide layer and is in the range of 0.05 to 0.4 μm. And

また、本発明のα型の酸化アルミニウム結晶粒は、その断面形状を円近似または楕円近似した場合、円近似または楕円近似した結晶粒の円の曲率または楕円の曲率の最大値が70(μm)−1以下である酸化アルミニウム結晶粒が、全結晶粒の60面積%以上を占めている。
ここで、円近似または楕円近似したα型の酸化アルミニウム結晶粒の曲率の最大値が70(μm)−1を超える結晶粒の存在割合が多くなった場合には、α型の酸化アルミニウム層における結晶粒の尖端部でクラックが発生し易くなり、その結果、耐チッピング性、耐欠損性が低下する。
したがって、本発明では、断面形状を円近似または楕円近似したα型の酸化アルミニウム結晶粒の円または楕円の曲率の最大値が70(μm)−1以下である結晶粒の存在割合を高めることが必要であり、このような結晶粒が、全結晶粒の60面積%以上を占める場合には、高負荷が作用する切削加工においても、クラックの発生頻度が低減され、耐チッピング性、耐欠損性等の耐異常損傷性が向上する。
そこで、本発明では、α型の酸化アルミニウム結晶粒の断面形状を円近似または楕円近似して円の曲率または楕円の曲率を求めた場合に、曲率の最大値が70(μm)−1以下であるα型の酸化アルミニウム結晶粒の占有割合を、観察視野中に存在する全結晶粒の60面積%以上と定めた。
In addition, when the α-type aluminum oxide crystal grains of the present invention have a cross-sectional shape approximated by a circle or an ellipse, the circle curvature or the maximum curvature of the ellipse is 70 (μm). The aluminum oxide crystal grains that are −1 or less account for 60 area% or more of the total crystal grains.
Here, when the maximum ratio of the curvature of the α-type aluminum oxide crystal grains approximated to a circle or an ellipse is larger than 70 (μm) −1 , the ratio of the crystal grains in the α-type aluminum oxide layer is increased. Cracks are likely to occur at the tip of the crystal grains, and as a result, chipping resistance and chipping resistance are reduced.
Therefore, in the present invention, it is possible to increase the existence ratio of crystal grains having a maximum value of the curvature of a circle or an ellipse of α-type aluminum oxide crystal grains whose cross-sectional shape is approximated to a circle or an ellipse by 70 (μm) −1 or less. When such crystal grains occupy 60% by area or more of the total crystal grains, the frequency of occurrence of cracks is reduced even in cutting operations with high loads, and chipping resistance and chipping resistance The abnormal damage resistance such as is improved.
Therefore, in the present invention, when the cross-sectional shape of the α-type aluminum oxide crystal grains is approximated to a circle or an ellipse to obtain the curvature of the circle or the curvature of the ellipse, the maximum value of the curvature is 70 (μm) −1 or less. The occupation ratio of certain α-type aluminum oxide crystal grains was determined to be 60 area% or more of the total crystal grains present in the observation field.

本発明では、α型の酸化アルミニウム層の断面をTEM観察し、α型の酸化アルミニウム結晶粒の断面形状を円近似または楕円近似することにより、各結晶粒の最大曲率および平均結晶粒径を求めた。
なお、α型の酸化アルミニウム結晶粒の断面形状を円近似または楕円近似するための手法は、例えば、「多変量の線形最小2乗法を用いる方法」等の既によく知られている手法を用いて近似すればよい。
(佐藤 郁郎著「最小2乗法その理論と実際―観測データの非線形解析」参照,或いは、佐藤郁郎HP:http://www.geocities.jp/ikuro_kotaro/koramu/daenkinji.htm参照。)
In the present invention, the cross section of the α-type aluminum oxide layer is observed by TEM, and the cross-sectional shape of the α-type aluminum oxide crystal grains is approximated to a circle or an ellipse, thereby obtaining the maximum curvature and average crystal grain size of each crystal grain. It was.
As a method for circularly or elliptically approximating the cross-sectional shape of α-type aluminum oxide crystal grains, for example, a well-known method such as “method using multivariate linear least square method” is used. Approximate.
(Refer to Goro Sato, “Least-Square Method, Theory and Practice-Nonlinear Analysis of Observation Data”, or Goro Sato HP: http://www.geocities.jp/ikuro_kotaro/koramu/daenkinji.htm.)

例えば、図1に示すように8測定点からα型の酸化アルミニウム結晶粒の断面形状を円近似または楕円近似し、図2に示すように円近似または楕円近似した円または楕円の長径を2a、同短径を2bとした場合、α型の酸化アルミニウム結晶粒の平均粒径は、(2a+2b)/2として求めることができ、また、α型の酸化アルミニウム結晶粒の曲率は長径の端点で最大となり、その最大値kは、k=(a/b)で求めることができる。
なお、円の場合にはa=bであり、平均粒径は2a、曲率の最大値kは、k=1/b となる。
For example, as shown in FIG. 1, the cross-sectional shape of an α-type aluminum oxide crystal grain is approximated by circle or ellipse from eight measurement points, and the circle or ellipse approximated by the circle or ellipse as shown in FIG. When the minor axis is 2b, the average particle diameter of the α-type aluminum oxide crystal grains can be obtained as (2a + 2b) / 2, and the curvature of the α-type aluminum oxide crystal grains is maximum at the end of the major axis. The maximum value k can be obtained by k = (a / b 2 ).
In the case of a circle, a = b, the average particle diameter is 2a, and the maximum curvature k is k = 1 / b.

図3には、本発明被覆工具のα型の酸化アルミニウム層について、TEM観察を行った4箇所のα型の酸化アルミニウム結晶粒を示し、図4には、これら4箇所のα型の酸化アルミニウム結晶粒を円近似または楕円近似して、それぞれの結晶粒について測定した長径2a,短径2b,粒径(a+b),曲率の最大値kの各値を示す。
図4に示すように、本発明被覆工具について測定した4箇所のα型の酸化アルミニウム結晶粒については、平均結晶粒径は本発明で規定する0.05〜0.4μmの範囲内であり、また、曲率の最大値はいずれも70(μm)−1以下であった。
FIG. 3 shows four α-type aluminum oxide crystal grains obtained by TEM observation on the α-type aluminum oxide layer of the coated tool of the present invention. FIG. 4 shows these four α-type aluminum oxide layers. The crystal grains are approximated to a circle or an ellipse, and the respective values of the major axis 2a, minor axis 2b, grain size (a + b), and maximum curvature k measured for each crystal grain are shown.
As shown in FIG. 4, for the four α-type aluminum oxide crystal grains measured for the coated tool of the present invention, the average crystal grain diameter is in the range of 0.05 to 0.4 μm defined in the present invention, In addition, the maximum value of the curvature was 70 (μm) −1 or less in all cases.

なお、本発明の被覆工具は、炭化タングステン基超硬合金、炭窒化チタン基サーメットからなる工具基体の表面に直接上述したα型の酸化アルミニウム層を形成することができることは勿論であるが、工具基体表面と該α型の酸化アルミニウム層との間に、周期律表の4a、5a、6a族、Al、Siから選ばれる少なくとも1種以上の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物を含有する下地層を、物理蒸着法(PVD法)、化学蒸着法(CVD法)、またはゾル−ゲル法により形成した後、該下地層硬質皮膜の表面に上記α型の酸化アルミニウム層を被覆形成することもできる。
下地層の具体例としては、例えば、化学蒸着によって形成したTiN層、TiCN層、TiCO層、TiCNO層等のTi化合物層を挙げることができ、また、物理蒸着によって形成したTiとAlの複合窒化物層、CrとAlの複合窒化物層等を挙げることができる。さらに、
Of course, the coated tool of the present invention can directly form the above-described α-type aluminum oxide layer on the surface of a tool base made of tungsten carbide-based cemented carbide or titanium carbonitride-based cermet. Between the substrate surface and the α-type aluminum oxide layer, carbide, nitride, carbonitride, carbonate of at least one element selected from groups 4a, 5a, 6a, Al, Si of the periodic table After forming an under layer containing sapphire by physical vapor deposition (PVD method), chemical vapor deposition (CVD), or sol-gel method, the surface of the under layer hard coating is coated with the α-type aluminum oxide layer. It can also be formed.
Specific examples of the underlayer include Ti compound layers formed by chemical vapor deposition, such as TiN layers, TiCN layers, TiCO layers, TiCNO layers, and composite nitriding of Ti and Al formed by physical vapor deposition. A material layer, a composite nitride layer of Cr and Al, and the like. further,

例えば、物理蒸着(PVD)法による上記下地層の形成に際して、α型の酸化アルミニウム層との密着性を高めるという観点から、該下地層中にAlを含有しており、かつ、該下地層の金属成分に占めるAlの含有割合が40原子%以上である窒化物層(例えば、TiAlN層、AlCrN層等)を形成することが望ましい。   For example, in the formation of the base layer by physical vapor deposition (PVD), from the viewpoint of improving the adhesion with the α-type aluminum oxide layer, the base layer contains Al, and the base layer It is desirable to form a nitride layer (for example, a TiAlN layer, an AlCrN layer, etc.) in which the Al content in the metal component is 40 atomic% or more.

これは、下地層中の金属成分に占めるAlの含有割合が40原子%以上の窒化物層であると、窒化物層とα型の酸化アルミニウム層との界面にアルミニウム濃度の高い酸化物を形成し、この酸化物が窒化物皮膜とα型の酸化アルミニウム層を強固に接着する作用を有するよう、という理由による。   This is because when the Al content of the metal component in the underlayer is a nitride layer of 40 atomic% or more, an oxide with a high aluminum concentration is formed at the interface between the nitride layer and the α-type aluminum oxide layer. The reason is that this oxide has a function of firmly bonding the nitride film and the α-type aluminum oxide layer.

この発明の被覆工具の硬質被覆層を構成するα型の酸化アルミニウム層は、例えば、比較的高濃度の酸を用いる、もしくは、ゾル中にTi酸化物微粒子を添加したゾル−ゲル法によってα型の酸化アルミニウム層を形成させることができ、Ti酸化物を用いる場合には、α型の酸化アルミニウムとともに、微粒のTi酸化物、例えば、TiOが含有され、該Ti酸化物の含有割合は、層中に含有される全金属元素に対して0.2〜10原子%含有される。 The α-type aluminum oxide layer constituting the hard coating layer of the coated tool of the present invention is, for example, α-type by a sol-gel method using a relatively high concentration of acid or adding Ti oxide fine particles to the sol. In the case where Ti oxide is used, a fine Ti oxide, for example, TiO 2 is contained together with α-type aluminum oxide, and the content ratio of the Ti oxide is: It is contained in an amount of 0.2 to 10 atomic% with respect to all metal elements contained in the layer.

ここで、微粒Ti酸化物として含有されるTiの含有量が、層中に含有される全金属元素に対して0.2原子%未満であると、形成されるα型の酸化アルミニウムの核生成点が少なく、均一組織が形成されず、一方、10原子%を超えると、層中に脆弱なAlとTiの酸窒化物が形成され耐チッピング性、耐欠損性を低下させる。したがって、層中に含有される全金属元素に対するTiの含有割合は、0.2〜10原子%とする。
なお、ゾル中にTi酸化物微粒子を添加したゾルーゲル法によってα型の酸化アルミニウム層を形成する場合には、ゾル中に添加するTi酸化物微粒子としてはTiOが好適であり、その添加量は、ゾル中に含まれる全金属元素を100原子%とした場合のTiの割合が、0.5〜10原子%とすることが望ましい。
Here, the nucleation of α-type aluminum oxide formed when the content of Ti contained as fine Ti oxide is less than 0.2 atomic% with respect to the total metal elements contained in the layer There are few points and a uniform structure is not formed. On the other hand, when it exceeds 10 atomic%, brittle Al and Ti oxynitrides are formed in the layer, and chipping resistance and chipping resistance are lowered. Therefore, the content ratio of Ti with respect to all the metal elements contained in the layer is 0.2 to 10 atomic%.
In the case where an α-type aluminum oxide layer is formed by a sol-gel method in which Ti oxide fine particles are added to the sol, TiO 2 is suitable as the Ti oxide fine particles to be added to the sol. The ratio of Ti is preferably 0.5 to 10 atomic% when the total metal elements contained in the sol are 100 atomic%.

なお、上記酸化アルミニウム主体層は、工具基体に直接成膜することで、その性能を発揮することは可能であるが、炭窒化チタンを含む超硬合金を基体とする場合は窒素雰囲気中での焼成により、工具基体表面付近に、Ti、Ta、Nb、Zrのうち、少なくとも1種の耐摩耗性の高い炭窒化物を多く含有させ、基体表面硬化層を形成させるとともに、酸化アルミニウム主体層と工具基体との密着強度を向上させ、工具寿命を延長することが可能となる。なお、該基体表面硬化層形成後の超硬合金基体の硬さはビッカース硬さ(Hv)で2200以上、2800以下であることが好ましい。その際、炭窒化物を多く含有させることで基体表面付近におけるCoは相対的に減ることとなり、例えば、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いた表面から深さ方向に0.5〜3.0μmの断面観察を行い、分析視野領域1×1μmの範囲にて波長分散型X線分光法による定量分析により、結合相金属としてのCoの含有量を検出した場合に、Coの含有量を2.0質量%未満にすれば、基体の表面硬化の要因となる炭窒化物が十分に形成され、耐摩耗性がより向上する。
基体表面硬化層の平均層厚は0.5μm以下であると耐摩耗性が十分発揮できないまま比較的すぐに磨滅してしまい、3.0μm以上であるとチッピングしやすくなる。
The aluminum oxide main layer can exhibit its performance by directly forming a film on the tool base. However, when a cemented carbide containing titanium carbonitride is used as the base, it can be used in a nitrogen atmosphere. By firing, a large amount of at least one kind of highly wear-resistant carbonitride of Ti, Ta, Nb, and Zr is contained in the vicinity of the tool base surface to form a base surface hardened layer, and an aluminum oxide main layer and The adhesion strength with the tool base can be improved and the tool life can be extended. In addition, it is preferable that the hardness of the cemented carbide base body after this base-surface hardened layer formation is 2200 or more and 2800 or less in terms of Vickers hardness (Hv). At that time, Co in the vicinity of the substrate surface is relatively reduced by containing a large amount of carbonitride, and for example, 0.5 to 3.0 μm in the depth direction from the surface using a scanning electron microscope (SEM). When the content of Co as a binder phase metal is detected by quantitative analysis by wavelength dispersive X-ray spectroscopy in an analysis visual field range of 1 × 1 μm, the Co content is 2. If it is less than 0% by mass, carbonitrides that cause surface hardening of the substrate are sufficiently formed, and wear resistance is further improved.
If the average thickness of the substrate surface hardened layer is 0.5 μm or less, it will be worn away relatively quickly without exhibiting sufficient wear resistance, and if it is 3.0 μm or more, chipping is likely to occur.

また、炭窒化チタン基サーメットを基体とする場合には、焼結工程において昇温及び最高温度で保持する際の雰囲気を所定の窒素雰囲気とし、保持の途中もしくは降温する際に減圧することにより、全焼結工程を一定圧力の窒素雰囲気中で実施した場合よりも表面を硬化させることができる。これは、最高温度で保持するまでの工程を一定の窒素圧力下で実施すると、基体内部に均一に硬さの高い炭窒化物が分散形成されるが、これを昇温、または保持の途中までは比較的高い窒素圧力下で処理し、保持の途中もしくは降温時から、より減圧された窒素雰囲気にして処理すると、基体のごく表面のみ脱窒されることにより、NiやCo金属結合相へのTiやNbなどの溶解及び内部から基体表面への拡散が活発となり、TiやNbなどの炭窒化物の形成が表面にて促進され、基体表面硬化層が形成されるためである。なお、該基体表面硬化層形成後のサーメット基体の硬さはビッカース硬さ(Hv)で2000以上、2600以下であることが好ましい。また、その際は上記超硬基体と同様に、基体表面付近におけるNi及びCoは相対的に減ることとなり、例えば、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いた表面から深さ方向に0.5〜3.0μmの断面観察を行い、分析視野領域1×1μmの範囲にて波長分散型X線分光法による定量分析した場合に、結合相金属としてのNi及びCoの合計含有量を2.0質量%未満にすれば、基体の表面硬化の要因となる炭窒化物が十分に形成され、耐摩耗性がより向上する。   In addition, when the titanium carbonitride-based cermet is used as a substrate, the atmosphere when holding at the highest temperature and the highest temperature in the sintering process is a predetermined nitrogen atmosphere, and by reducing the pressure during holding or when lowering the temperature, The surface can be cured more than when the entire sintering process is performed in a nitrogen atmosphere at a constant pressure. This is because when the process up to holding at the maximum temperature is performed under a constant nitrogen pressure, carbonitrides with high hardness are uniformly dispersed inside the substrate. Is treated under a relatively high nitrogen pressure, and during treatment or when the temperature is lowered to a more reduced nitrogen atmosphere, only the very surface of the substrate is denitrified, resulting in a Ni or Co metal bonded phase. This is because dissolution of Ti and Nb and diffusion from the inside to the surface of the substrate become active, formation of carbonitrides such as Ti and Nb is promoted on the surface, and a substrate surface hardened layer is formed. In addition, it is preferable that the hardness of the cermet base | substrate after this base-surface hardened layer formation is 2000 or more and 2600 or less in Vickers hardness (Hv). In this case, similarly to the above-mentioned carbide substrate, Ni and Co in the vicinity of the substrate surface are relatively reduced. For example, 0.5 to 0.5 in the depth direction from the surface using a scanning electron microscope (SEM). When the cross section of 3.0 μm is observed and quantitative analysis is performed by wavelength dispersive X-ray spectroscopy in the analysis visual field region range of 1 × 1 μm, the total content of Ni and Co as binder phase metals is 2.0 mass. If it is less than%, carbonitrides that cause surface hardening of the substrate are sufficiently formed, and wear resistance is further improved.

本発明の被覆工具の表面層を構成するα型の酸化アルミニウム層は、例えば、以下に示すゾル−ゲル法によって形成することができる。
なお、本発明では、ゾル−ゲル法によってα型の酸化アルミニウム層を形成する際に、主として、アルミナゾルにTi酸化物微粒子を添加するゾル−ゲル法について説明するが、Ti酸化物微粒子の添加の仕方としては、アルミナゾル中で均一分散できるような表面処理をしたTi酸化物微粒子を添加する方法、アルコールに均一にTi酸化物微粒子が分散されたスラリーとして添加する方法、分散剤を予めアルミナゾルへ添加した後にTi酸化物微粒子をアルミナゾルへ添加する方法等各種の添加が可能であるが、いずれの添加方法であっても構わない。
The α-type aluminum oxide layer constituting the surface layer of the coated tool of the present invention can be formed, for example, by the sol-gel method shown below.
In the present invention, when the α-type aluminum oxide layer is formed by the sol-gel method, the sol-gel method in which Ti oxide fine particles are mainly added to the alumina sol will be described. As a method, a method of adding Ti oxide fine particles that have been surface-treated so that they can be uniformly dispersed in alumina sol, a method of adding Ti oxide fine particles as a slurry in which alcohol is uniformly dispersed, and adding a dispersant to alumina sol in advance Thereafter, various additions such as a method of adding the Ti oxide fine particles to the alumina sol are possible, but any addition method may be used.

アルミナゾルの調製:
まず、アルミニウムのアルコキシド(例えば、アルミニウムセカンダリブトキシド、アルミニウムイソプロポキシド)にアルコール(例えば、エタノール、1−ブタノール)を添加し、次いで、酸(例えば、塩酸、硝酸)を添加し、所定量、所定サイズのTi酸化物微粒子を添加した後、さらに、所定濃度の酸(例えば、塩酸)を添加した後、30〜50℃の温度範囲にて1〜3時間攪拌することによってアルミナゾルを調製する。
Preparation of alumina sol:
First, an alcohol (eg, ethanol, 1-butanol) is added to an aluminum alkoxide (eg, aluminum secondary butoxide, aluminum isopropoxide), then an acid (eg, hydrochloric acid, nitric acid) is added, and a predetermined amount After adding Ti oxide fine particles having a size, an acid sol (for example, hydrochloric acid) of a predetermined concentration is further added, and then the alumina sol is prepared by stirring at a temperature range of 30 to 50 ° C. for 1 to 3 hours.

また、添加する酸の濃度は、0.5〜4.0Nが望ましく、アルコールに対する酸の添加量は、0.1〜2倍(容量)が望ましい。   The concentration of the acid to be added is preferably 0.5 to 4.0 N, and the amount of acid added to the alcohol is preferably 0.1 to 2 times (volume).

アルミナゾルの保持:
次いで、上記アルミナゾルについて、ゾル中で起きている加水分解・縮合反応が平衡状態に至るまで待つ目的で30〜50℃の温度範囲にて12時間以上保持する。
Alumina sol retention:
Next, the alumina sol is held at a temperature range of 30 to 50 ° C. for 12 hours or more for the purpose of waiting until the hydrolysis / condensation reaction occurring in the sol reaches an equilibrium state.

乾燥・焼成:
工具基体あるいは下地層(例えば、Ti化合物層)を被覆した工具基体を、上記で調製したアルミナゾル中へ浸漬処理し、その後、0.5mm/secの速度でアルミナゾル中からこれを引き上げ、それに続き100〜600℃で10分乾燥処理を施し、この浸漬処理と乾燥処理を所要の層厚になるまで繰り返し行い、次いで、700〜1100℃の温度範囲で焼成処理を行う。
Drying and firing:
A tool base coated with a tool base or an underlayer (for example, a Ti compound layer) is immersed in the alumina sol prepared above, and then pulled up from the alumina sol at a rate of 0.5 mm / sec. A drying treatment is performed at ˜600 ° C. for 10 minutes, this immersion treatment and drying treatment are repeated until the required layer thickness is obtained, and then a firing treatment is carried out in a temperature range of 700 to 1100 ° C.

上記乾燥処理によって、微粒のTi酸化物を分散含有するアルミナの乾燥ゲルが形成され、次いで行う焼成処理によって、酸化アルミニウム相中に、所定量(全金属元素の0.2〜10原子%)の微粒のTi酸化物を分散含有するα型の酸化アルミニウム層が形成される。   By the above drying treatment, a dry gel of alumina containing finely divided Ti oxide is formed, and by a subsequent firing treatment, a predetermined amount (0.2 to 10 atomic% of all metal elements) of aluminum oxide phase is formed. An α-type aluminum oxide layer containing dispersed fine Ti oxide is formed.

上記α型の酸化アルミニウム層の膜厚は、アルミナゾルへの浸漬回数に依存するが、被覆形成された上記α型の酸化アルミニウム層の平均層厚が0.2μm未満では、長期の使用にわたって被覆工具としてすぐれた耐摩耗性を発揮することができず、一方、平均層厚が5.0μmを越えるとα型の酸化アルミニウム層が剥離を生じやすくなることから、上記α型の酸化アルミニウム層の膜厚は0.2〜5.0μmとする。   The film thickness of the α-type aluminum oxide layer depends on the number of times of immersion in the alumina sol, but if the average layer thickness of the α-type aluminum oxide layer formed by coating is less than 0.2 μm, the coated tool can be used over a long period of use. On the other hand, when the average layer thickness exceeds 5.0 μm, the α-type aluminum oxide layer is liable to be peeled off. The thickness is 0.2 to 5.0 μm.

また、焼成温度については、700℃未満では、α型の酸化アルミニウム結晶粒の生成速度がおそく、非晶質やγ型酸化アルミニウムが生成されたりするため硬さが十分でなく、高速断続切削に効果のある、十分な高温硬さを有するα型の酸化アルミニウム層が形成されず耐チッピング性が十分でない。一方、1100℃を越える温度で焼成した場合、微粒のTi酸化物とα型の酸化アルミニウム層の熱膨張差に起因するクラックが起きやすいため、焼成温度は700〜1100℃とする。   In addition, when the firing temperature is less than 700 ° C., the rate of formation of α-type aluminum oxide crystal grains is slow, and amorphous or γ-type aluminum oxide is generated. An effective α-type aluminum oxide layer having sufficient high-temperature hardness is not formed, and chipping resistance is not sufficient. On the other hand, when firing at a temperature exceeding 1100 ° C., cracking due to the difference in thermal expansion between the fine Ti oxide and the α-type aluminum oxide layer is likely to occur, so the firing temperature is set to 700 to 1100 ° C.

本発明では、Ti酸化物微粒子を用いなくとも、触媒としている酸の濃度を濃くすることで、アルミナゾル中に分散されるコロイド粒子がα型の酸化アルミニウム結晶の核生成点となりやすいよう、比較的大きく、密に形成でき、結果的に酸化アルミニウム膜中に局所的な加水分解・縮重合による凝集が起きにくく、脆弱な組織の存在しない球状または楕円体状であって、組織均一性、結晶性の高いα型の酸化アルミニウム層を形成することができる。また、本組織はアルミナゾル中にTi酸化物微粒子を予め添加したアルミナゾルを用いたゾル-ゲル法を用いると、多数のTi酸化物が結晶化の起点となり、より組織均一性の高い酸化アルミニウム層を形成することが可能となるとともに、Ti酸化物が有する潤滑性も相俟ってさらなる工具寿命の延長をもたらす。また、従来のゾルーゲル法では、加水分解・縮重合促進に起因して、鋳鉄及び炭素鋼の高速重切削においては優れた耐潤滑性、耐摩耗性を発揮するもの、特に高速の断続切削時にクラックの起点となってしまうような、脆弱組織が形成されていたが、本発明によればα型の酸化アルミニウム結晶粒は、球状または楕円体状であって、角部のない丸みのある比較的大きな粒径の結晶粒となり、さらに、脆弱組織の形成も抑制される。
したがって、本発明の被覆工具は、高速断続切削加工時に、切れ刃に断続的衝撃等の高負荷が作用した場合でも、衝撃を粒子全体で吸収するためクラックの発生が抑制され、チッピング、欠損等の異常損傷の発生を招くことなく、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮することができる。
In the present invention, the concentration of the acid used as the catalyst is increased without using Ti oxide fine particles, so that the colloidal particles dispersed in the alumina sol are likely to be nucleation points of α-type aluminum oxide crystals. It can be formed in a large and dense shape. As a result, it does not easily aggregate due to local hydrolysis and condensation polymerization in the aluminum oxide film. A high α-type aluminum oxide layer can be formed. In addition, when the sol-gel method using an alumina sol in which Ti oxide fine particles are added in advance to an alumina sol is used for this structure, a large number of Ti oxides become the starting point of crystallization, and an aluminum oxide layer with higher structure uniformity is formed. In addition to being able to be formed, the lubricity of the Ti oxide is combined with a further extension of the tool life. In addition, the conventional sol-gel method exhibits excellent lubricity and wear resistance in high-speed heavy cutting of cast iron and carbon steel due to accelerated hydrolysis and condensation polymerization, especially cracks during high-speed intermittent cutting. However, according to the present invention, the α-type aluminum oxide crystal grains are spherical or ellipsoidal and relatively round with no corners. It becomes a crystal grain with a large grain size, and the formation of a fragile structure is also suppressed.
Therefore, the coated tool of the present invention absorbs the impact with the entire particle even when a high load such as intermittent impact is applied to the cutting edge during high-speed intermittent cutting, so that the generation of cracks is suppressed, chipping, chipping, etc. It is possible to exhibit excellent wear resistance over a long period of use without causing any abnormal damage.

本発明のα型の酸化アルミニウム結晶粒の断面形状を円近似または楕円近似した模式図を示す。The schematic diagram which carried out the circular approximation or the ellipse approximation of the cross-sectional shape of the alpha-type aluminum oxide crystal grain of this invention is shown. は、楕円近似したα型の酸化アルミニウム結晶粒の結晶粒径および曲率の最大値kを算出するための概略説明図を示す。These show schematic explanatory drawings for calculating the crystal grain size and the maximum curvature k of α-type aluminum oxide crystal grains that are elliptically approximated. 本発明被覆工具のα型の酸化アルミニウム層について、TEM観察を行った4箇所の測定点のα型の酸化アルミニウム結晶粒とその曲率の最大値を示す。About the alpha type aluminum oxide layer of this invention coated tool, the alpha type aluminum oxide crystal grain of the four measurement points which performed TEM observation, and the maximum value of the curvature are shown. 本発明被覆工具のα型の酸化アルミニウム結晶粒の4箇所の測定点について測定した長径2a,短径2b,粒径(a+b),曲率の最大値kの各値を示す。The major axis 2a, minor axis 2b, grain size (a + b), and maximum value k of curvature measured at four measurement points of the α-type aluminum oxide crystal grains of the coated tool of the present invention are shown.

つぎに、この発明を実施例により具体的に説明する。   Next, the present invention will be specifically described with reference to examples.

(a) 原料粉末として、平均粒径0.8μmの微粒WC粉末、平均粒径2〜3μmの中粒WC粉末といずれも1〜3μmの平均粒径を有するTiCN粉末、ZrC粉末、TaC粉末、NbC粉末、Cr32粉末およびCo粉末を用意し、これら原料粉末を、表1に示す所定の配合組成に配合し、さらにワックスを加えてアセトン中で24時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、98MPaの圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を5Paの真空中、1400℃の温度にて1時間保持の条件で真空焼結し、焼結後、切刃部にR:0.05mmのホーニング加工を施すことによりISO・CNMG120408に規定するインサート形状をもったWC基超硬合金製の工具基体A,B,C,D,E,F,G,H,I(工具基体A,B,C,D,E,F,G,H,Iという)を製造した。
但し、1400℃にて1時間保持後1320℃までの冷却を、超硬基体Fについては、3.3kPaの窒素雰囲気中にて40分間行い、超硬基体Gについては、1kPaの窒素雰囲気中にて40分間、超硬基体Hについては、2kPaの窒素雰囲気中にて10分間、超硬基体Iについては、3.3kPaの窒素雰囲気中にて120分間かけて冷却することで基体表面を硬化処理した。
(A) As a raw material powder, fine WC powder having an average particle diameter of 0.8 μm, medium WC powder having an average particle diameter of 2 to 3 μm, and TiCN powder, ZrC powder, TaC powder each having an average particle diameter of 1 to 3 μm, After preparing NbC powder, Cr 3 C 2 powder and Co powder, these raw material powders were blended in the prescribed blending composition shown in Table 1, added with wax, ball mill mixed in acetone for 24 hours, and dried under reduced pressure , Pressed into a green compact of a predetermined shape at a pressure of 98 MPa, this green compact was vacuum-sintered at a temperature of 1400 ° C. for 1 hour in a vacuum of 5 Pa, and after sintering, the cutting edge portion R: A tool base A, B, C, D, E, F, G, H, I made of WC base cemented carbide having an insert shape specified in ISO / CNMG120408 by honing to 0.05 mm. (Tool substrate A, It was prepared C, D, E, F, G, H, a) that I.
However, after holding at 1400 ° C. for 1 hour, cooling to 1320 ° C. is performed for 40 minutes in a nitrogen atmosphere of 3.3 kPa for the carbide substrate F, and in a nitrogen atmosphere of 1 kPa for the carbide substrate G. The substrate surface is cured by cooling for 40 minutes in a nitrogen atmosphere of 2 kPa for carbide substrate H and for 120 minutes in a nitrogen atmosphere of 3.3 kPa for carbide substrate I. did.

(b) ついで、上記工具基体A〜Iに対して、下層を形成した。
なお、下層の形成にあたり、上記工具基体A及びBについては、化学蒸着装置に装入し、表2に示す成膜条件を用いて、粒状結晶組織を有するTiN層、TiCN層、TiCO層、TiCNO層、縦長成長結晶組織のTiCN層(以下、l−TiCNで示す)からなるTi化合物層を表5に示す皮膜構成にて下地層を予め形成した。一方、上記工具基体Cについては、物理蒸着装置の一種であるアークイオンプレーティング装置に装入し、表5に示す膜厚のTi0.5Al0.5N層からなる下地層を予め形成した。
また、上記工具基体Dについては、同じくアークイオンプレーティング装置に装入し、表5に示す膜厚のAl0.7Cr0.3N層からなる下地層を予め形成した。
一方、上記工具基体E,F,G,H,Iについては、下地層の形成を特に行わなかった。
(B) Next, a lower layer was formed on the tool bases A to I.
In forming the lower layer, the tool bases A and B are charged into a chemical vapor deposition apparatus, and the TiN layer, TiCN layer, TiCO layer, TiCNO having a granular crystal structure are formed using the film formation conditions shown in Table 2. An underlayer was formed in advance with a Ti compound layer comprising a layer and a TiCN layer having a vertically grown crystal structure (hereinafter referred to as 1-TiCN) with a film configuration shown in Table 5. On the other hand, the tool base C is inserted into an arc ion plating apparatus which is a kind of physical vapor deposition apparatus, and an underlayer composed of Ti 0.5 Al 0.5 N layers having the film thicknesses shown in Table 5 is formed in advance. did.
Further, the tool base D was similarly inserted into an arc ion plating apparatus, and an underlayer composed of an Al 0.7 Cr 0.3 N layer having a thickness shown in Table 5 was formed in advance.
On the other hand, for the tool bases E, F, G, H, and I, the base layer was not particularly formed.

(c) 一方、硬質被覆層の最表面層としてのα型の酸化アルミニウム層をゾル−ゲル法で被覆形成するためのアルミナゾルの調製を、次のように行った。
表3に示す所定量のアルミニウムのアルコキシドであるアルミニウムセカンダリブトキシドに、同じく表3に示す所定量のエタノールと表3に示す種別かつ所定量のTi酸化物微粒子を添加した後、恒温槽中30〜50℃で攪拌を行い、さらに、所定量の水を添加した塩酸を滴下により1時間かけて添加した。
(C) On the other hand, an alumina sol for coating the α-type aluminum oxide layer as the outermost surface layer of the hard coating layer by a sol-gel method was prepared as follows.
After adding a predetermined amount of ethanol shown in Table 3 and a specific and predetermined amount of Ti oxide fine particles shown in Table 3 to aluminum secondary butoxide, which is an alkoxide of a predetermined amount of aluminum shown in Table 3, 30 ~ Stirring was performed at 50 ° C., and hydrochloric acid to which a predetermined amount of water was added was added dropwise over 1 hour.

(d) これを、表3に示すように恒温槽中30〜50℃に保持したまま、1時間以上攪拌を継続し、さらに、20℃でゾル中の加水分解・縮重合反応が安定するまで所定時間保持することにより、アルミナゾルを調製した。
最終的な溶液組成は、モル比で、
(アルミニウムセカンダリブトキシド):(水):(エタノール):(塩酸)
=1:(80〜120):20:(0.5〜4.0)
になるように調整を行った。
(D) As shown in Table 3, stirring is continued for 1 hour or more while being kept at 30 to 50 ° C. in a thermostatic bath, and further, the hydrolysis / condensation polymerization reaction in the sol is stabilized at 20 ° C. An alumina sol was prepared by holding for a predetermined time.
The final solution composition is in molar ratio
(Aluminum secondary butoxide): (water): (ethanol): (hydrochloric acid)
= 1: (80 to 120): 20: (0.5 to 4.0)
Adjustments were made to

(e) ついで、上記工具基体A〜I(いくつかの工具基体には、下層を形成している)を、上記アルミナゾル中に浸漬した。 (E) Next, the tool bases A to I (the lower layers were formed on some tool bases) were immersed in the alumina sol.

(f) 次いで、上記工具基体A〜Iをアルミナゾル中から引き上げ速度0.5mm/secで引き上げ、500℃で10分間の乾燥処理を行い、さらに、浸漬、引き上げ、乾燥処理を繰り返した後、表3に示す条件で焼成処理を行い、本発明α型の酸化アルミニウム層を最表面に被覆形成することにより、表5、6に示す本発明の被覆工具1〜15(本発明工具1〜15という)を製造した。なお、下地層の形成を特に行わなかった工具基体E,F,G,H,Iについては、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いた表面から深さ方向に0.5〜3.0μmの断面観察を行い、分析視野領域1×1μmの範囲にて波長分散型X線分光法による結合相金属の定量分析と表面硬化層厚の測定を実施した。その結果を表5に示す。 (F) Next, the tool bases A to I are pulled up from the alumina sol at a pulling rate of 0.5 mm / sec, dried at 500 ° C. for 10 minutes, and further dipped, lifted and dried. The coating tools 1 to 15 of the present invention shown in Tables 5 and 6 (referred to as the present invention tools 1 to 15) are performed by performing a firing treatment under the conditions shown in FIG. ) Was manufactured. In addition, about the tool bases E, F, G, H, and I in which the formation of the underlayer was not particularly performed, a cross section of 0.5 to 3.0 μm in the depth direction from the surface using a scanning electron microscope (SEM). Observation was performed, and the quantitative analysis of the binder phase metal and the measurement of the thickness of the hardened surface layer were performed by wavelength dispersion X-ray spectroscopy in the analysis visual field region of 1 × 1 μm. The results are shown in Table 5.

上記本発明工具1〜15について、α型の酸化アルミニウム層の平均層厚を透過電子顕微鏡を用いて断面測定したところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ平均値(5ヶ所の平均値)を示した。 When the average layer thickness of the α-type aluminum oxide layer was measured with a transmission electron microscope for the present invention tools 1 to 15 above, the average value was substantially the same as the target layer thickness (average value of five locations). showed that.

また、上記本発明工具1〜15のα型の酸化アルミニウム層について、層厚×1μmの観察視野範囲内で5視野観察し、その観察視野範囲における個々のα型の酸化アルミニウム結晶粒の断面形状を円近似または楕円近似し、近似した円の曲率または楕円の曲率の最大値kを求めた。
なお、求めた曲率kの最大値が70(μm)−1以下であるα型の酸化アルミニウム結晶粒の、観察視野中に占める面積割合を求めた。
また、個々のα型の酸化アルミニウム結晶粒について、断面形状を円近似または楕円近似し、長径2a,短径2bを測定することにより、個々の結晶粒の粒径(a+b)を求め、これら個々の結晶粒の粒径を平均することにより平均結晶粒径を求めた。
Further, the α-type aluminum oxide layers of the above-described tools 1 to 15 of the present invention were observed in five views within the observation field range of layer thickness × 1 μm, and the cross-sectional shape of each α-type aluminum oxide crystal grain in the observation field range Was approximated to a circle or an ellipse, and the maximum value k of the approximate circle curvature or ellipse curvature was obtained.
In addition, the area ratio which occupies in the observation visual field of the alpha type aluminum oxide crystal grain whose maximum value of the calculated | required curvature k is 70 (micrometer) <-1> or less was calculated | required.
Further, for each α-type aluminum oxide crystal grain, the cross-sectional shape is approximated to a circle or an ellipse, and the major axis 2a and the minor axis 2b are measured to obtain the grain size (a + b) of each individual crystal grain. The average crystal grain size was determined by averaging the grain sizes of the crystal grains.

さらに、上記本発明工具1〜15について、α型の酸化アルミニウム層の縦断面について、層厚×1μmの視野範囲にて、透過型電子顕微鏡(TEM)で観察を行うとともに、付属のエネルギー分散型分光装置にて前記視野範囲における元素面分析を行い、α型の酸化アルミニウム層中に微粒Ti酸化物として含有されるTiの含有量を測定した。
表6に、その結果を示す。
Further, for the inventive tools 1 to 15, the longitudinal section of the α-type aluminum oxide layer is observed with a transmission electron microscope (TEM) in the field of view of the layer thickness × 1 μm, and the attached energy dispersion type Elemental analysis in the visual field range was performed with a spectroscopic device, and the content of Ti contained as fine Ti oxide in the α-type aluminum oxide layer was measured.
Table 6 shows the results.

[比較例1]
比較のため、以下の製造方法で比較例の被覆工具を製造した。
[Comparative Example 1]
For comparison, a coated tool of a comparative example was manufactured by the following manufacturing method.

(イ)まず、反応原料における各成分の溶液組成はモル比で、
(アルミニウムセカンダリブトキシド):(水):(エタノール):(塩酸)
=1:(80〜120):20:(0.5〜4.0)
になるように調整し、表4に示す条件でアルミナゾルを調製した。
(ロ)次いで、上記工具基体A〜I(但し、いくつかについては、表5に示す化学蒸着法によるTi化合物層、物理蒸着法によるTi0.5Al0.5N層またはAl0.7Cr0.3N層を形成した)の表面に、上記アルミナゾルを塗布した。
(ハ)ついで、上記塗布したアルミナゾルを、実施例1と同条件で乾燥処理を行い、さらに塗布と乾燥を所定層厚になるまで繰り返した後、表4に示す条件で焼成処理を行うことにより、表5、7に示す比較例の被覆工具1〜15(比較例工具1〜15という)を製造した。
(A) First, the solution composition of each component in the reaction raw material is a molar ratio,
(Aluminum secondary butoxide): (water): (ethanol): (hydrochloric acid)
= 1: (80 to 120): 20: (0.5 to 4.0)
The alumina sol was prepared under the conditions shown in Table 4.
(B) Next, the tool bases A to I (however, in some cases, a Ti compound layer by chemical vapor deposition shown in Table 5, a Ti 0.5 Al 0.5 N layer or Al 0.7 by physical vapor deposition) The above-mentioned alumina sol was applied to the surface of the (Cr 0.3 N layer formed).
(C) Next, the coated alumina sol is dried under the same conditions as in Example 1, and after repeating the coating and drying until a predetermined layer thickness is obtained, the firing treatment is performed under the conditions shown in Table 4. The coated tools 1-15 of the comparative examples shown in Tables 5 and 7 (referred to as comparative tools 1-15) were produced.

比較例工具1〜15についても、断面TEM観察を行い、α型の酸化アルミニウム層の平均層厚、α型の酸化アルミニウム結晶粒の平均結晶粒径、曲率の最大値kが70(μm)−1以下であるα型の酸化アルミニウム結晶粒の占める面積割合を求めた。
表7にその結果を示す。
The comparative tools 1 to 15 were also subjected to cross-sectional TEM observation, and the average layer thickness of the α-type aluminum oxide layer, the average crystal grain size of the α-type aluminum oxide crystal grains, and the maximum value k of the curvature were 70 (μm) − The area ratio occupied by α-type aluminum oxide crystal grains of 1 or less was determined.
Table 7 shows the results.

つぎに、上記本発明工具1〜15、比較例工具1〜15について、次の条件でSUS304の乾式高速断続切削加工試験を行った。   Next, the above-mentioned inventive tools 1 to 15 and comparative tools 1 to 15 were subjected to a SUS304 dry high-speed intermittent cutting test under the following conditions.

被削材: SUS304の長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度:130m/min.、
切り込み: 1.1mm、
送り:0.22 mm/rev.、
切削時間: 5分、
の条件での乾式高速断続切削加工試験(通常の切削速度は100 m/min.)、後の、それぞれの工具の摩耗状態について観察を行い、逃げ面摩耗量の測定を行った。
Work material: SUS304 lengthwise equidistantly 4 vertical grooved round bars,
Cutting speed: 130 m / min. ,
Incision: 1.1mm,
Feed: 0.22 mm / rev. ,
Cutting time: 5 minutes
The dry high-speed intermittent cutting test under the conditions (normal cutting speed is 100 m / min.), The subsequent wear state of each tool was observed, and the amount of flank wear was measured.

これらの結果を表8に示す。   These results are shown in Table 8.



原料粉末として、いずれも0.5〜2μmの平均粒径を有するTiCN(質量比でTiC/TiN=50/50)粉末、Mo2C粉末、NbC粉末、TaC粉末、WC粉末、Co粉末、およびNi粉末を用意し、これらを表9に示す所定の配合組成に配合し、ボールミルで24時間湿式混合し、乾燥した後、98MPaの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を1.3kPaの窒素雰囲気中、温度:1540℃に1時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にR:0.07mmのホーニング加工を施すことによりISO規格・CNMG120412のチップ形状をもったTiCN基サーメット製の工具基体J〜R(工具基体J〜Rという)を製造した。但し、工具基体Oについては1.3kPaの窒素雰囲気中、昇温速度を2℃/minとし、室温より1540℃まで昇温させ30分保持した後、13Paの真空とし、さらに、1540℃にて30分保持後降温させて表面硬化させた。工具基体Pについては、常に13Paの真空中にて昇温および1540℃にて60分保持、工具基体Qについては1.3kPaの窒素雰囲気中で室温より1540℃まで昇温させ30分保持した後、13Paの真空とし、さらに、1540℃にて5分保持、工具基体Rについては1.3kPaの窒素雰囲気中で室温より1540℃まで昇温させ30分保持した後、13Paの真空とし、さらに、1540℃にて90分保持後降温させて表面硬化させた。
TiCN (mass ratio TiC / TiN = 50/50) powder, Mo 2 C powder, NbC powder, TaC powder, WC powder, Co powder, and raw material powder, all having an average particle diameter of 0.5 to 2 μm, and Ni powders were prepared, blended into the prescribed composition shown in Table 9, wet mixed for 24 hours with a ball mill, dried, and then pressed into a green compact at a pressure of 98 MPa. .Sintered in a nitrogen atmosphere of 3 kPa at a temperature of 1540 ° C. for 1 hour, and after sintering, the cutting edge part is subjected to a honing process of R: 0.07 mm to form an ISO standard / CNMG120212 chip shape. Tool bases J to R made of TiCN base cermet (referred to as tool bases J to R) were produced. However, for the tool base O, in a nitrogen atmosphere of 1.3 kPa, the rate of temperature rise was 2 ° C./min, the temperature was raised from room temperature to 1540 ° C. and held for 30 minutes, then a vacuum of 13 Pa was applied, and further at 1540 ° C. After holding for 30 minutes, the temperature was lowered to cure the surface. For the tool base P, the temperature was always increased and held at 1540 ° C. for 60 minutes in a vacuum of 13 Pa. For the tool base Q, the temperature was raised from room temperature to 1540 ° C. in a nitrogen atmosphere of 1.3 kPa for 30 minutes. , A vacuum of 13 Pa, and further held at 1540 ° C. for 5 minutes, and the tool substrate R was heated from room temperature to 1540 ° C. in a nitrogen atmosphere of 1.3 kPa and held for 30 minutes, and then a vacuum of 13 Pa was further obtained. After holding at 1540 ° C. for 90 minutes, the temperature was lowered to cure the surface.

ついで、上記工具基体J〜R(但し、幾つかについては、表10に示す下層(化学蒸着法によるTi化合物層、物理蒸着法によるTi0.5Al0.5N層またはAl0.7Cr0.3N層を形成した)の表面に、上記アルミナゾルを塗布した。なお、実施例1と同様に下地層の形成を特に行わなかった工具基体N,O,P,Q,Rについては、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いた表面から深さ方向に0.5〜3.0μmの断面観察を行い、分析視野領域1×1μmの範囲にて波長分散型X線分光法による結合相金属の定量分析と表面硬化層厚の測定を実施した。その結果を表10に示す。 Next, the above-mentioned tool bases J to R (however, for some, the lower layer shown in Table 10 (Ti compound layer by chemical vapor deposition, Ti 0.5 Al 0.5 N layer by physical vapor deposition or Al 0.7 Cr) The above-mentioned alumina sol was applied to the surface of 0.3 N layer formed) The tool bases N, O, P, Q, and R in which the underlayer was not particularly formed in the same manner as in Example 1 Cross-sectional observation of 0.5 to 3.0 μm in the depth direction from the surface using a scanning electron microscope (SEM), and bonded phase metal by wavelength dispersive X-ray spectroscopy in the analysis visual field region range of 1 × 1 μm Table 10 shows the results of quantitative analysis and measurement of the thickness of the surface hardened layer.

ついで、上記塗布したアルミナゾルを、実施例1と同条件で乾燥処理を行い、さらに塗布と乾燥を所定層厚になるまで繰り返した後、表3に示す条件で焼成処理を行うことにより、表10、11に示す本発明の被覆工具16〜30(本発明工具16〜30という)を製造した。   Next, the coated alumina sol was dried under the same conditions as in Example 1, and after repeating the coating and drying until a predetermined layer thickness was obtained, a firing treatment was performed under the conditions shown in Table 3. The coated tools 16 to 30 of the present invention (referred to as the present invention tools 16 to 30) shown in FIG.

本発明工具16〜30について、実施例1と同様に、α型の酸化アルミニウム層の平均層厚、断面形状を円近似または楕円近似したα型の酸化アルミニウム結晶粒の平均結晶粒径、曲率の最大値kが70(μm)−1以下であるα型の酸化アルミニウム結晶粒の占める面積割合、α型の酸化アルミニウム層中に含有されるTiの含有量を求めた。
表11に、その結果を示す。
For the inventive tools 16-30, as in Example 1, the average thickness and curvature of the α-type aluminum oxide crystal grains in which the average layer thickness and cross-sectional shape of the α-type aluminum oxide layer are circular or elliptical approximated. The area ratio occupied by α-type aluminum oxide crystal grains having a maximum value k of 70 (μm) −1 or less, and the content of Ti contained in the α-type aluminum oxide layer were determined.
Table 11 shows the results.


[比較例2]
前記実施例2で用いたのと同じ工具基体J〜Rを用いて、実施例2と同様に、ゾル−ゲル法により、実施例1と同条件で乾燥処理を行い、さらに塗布と乾燥を表12に示す所定層厚になるまで繰り返した後、表4に示す条件で焼成処理を行うことにより、表10、12に示す比較例の被覆工具16〜30(比較例工具16〜30という)を製造した。
[Comparative Example 2]
Using the same tool bases J to R used in Example 2, the same sol-gel method as in Example 2 was performed under the same conditions as in Example 1, and further, coating and drying were represented. After repeating until the predetermined layer thickness shown in FIG. 12 is reached, firing treatment is performed under the conditions shown in Table 4 to obtain the coated tools 16 to 30 of the comparative examples shown in Tables 10 and 12 (referred to as comparative example tools 16 to 30). Manufactured.

比較例工具16〜30について求めた、α型の酸化アルミニウム層の平均層厚、α型の酸化アルミニウム結晶粒の平均結晶粒径、曲率の最大値kが70(μm)−1以下であるα型の酸化アルミニウム結晶粒の占める面積割合を表12に示す。 The average layer thickness of the α-type aluminum oxide layer, the average crystal grain size of the α-type aluminum oxide crystal grains, and the maximum value k of the curvature k obtained for the comparative tools 16 to 30 are 70 (μm) −1 or less α Table 12 shows the area ratio of the aluminum oxide crystal grains of the mold.


つぎに、上記本発明工具16〜30、比較例工具16〜30について、次の条件で乾式高速断続切削加工試験を行った。
被削材:JIS・SCM432の長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度: 220 m/min、
切込み: 0.8 mm、
送り: 0.35 mm/rev、
切削時間: 5 分
切削加工試験(通常の切削速度は180 m/min.)後の、それぞれの工具の摩耗状態について観察を行い、逃げ面摩耗量の測定を行うとともに、硬質被覆層の損傷状況を観察した。
これらの結果を表13に示す。
Next, a dry high-speed intermittent cutting test was performed on the above-described inventive tools 16 to 30 and comparative tools 16 to 30 under the following conditions.
Work material: JIS / SCM432 lengthwise equidistant 4 round bars with vertical grooves,
Cutting speed: 220 m / min,
Cutting depth: 0.8 mm,
Feed: 0.35 mm / rev,
Cutting time: After 5 minutes cutting test (normal cutting speed is 180 m / min.), Observe the wear state of each tool, measure the flank wear amount, and damage the hard coating layer Was observed.
These results are shown in Table 13.

表6〜8、表11〜表13に示される結果から、この発明の被覆工具1〜30の表面層として被覆形成されたα型の酸化アルミニウム層は、形成されるα型の酸化アルミニウム結晶粒が比較的大きな粒径で、かつ、その形状を球状化、楕円体状化することができ、さらに、脆弱組織の形成を抑制し得ることから、これを、ステンレス鋼、クロムモリブデン合金鋼等の高速断続切削加工に用いた場合、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を発生することなく、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するのである。 From the results shown in Tables 6 to 8 and Tables 11 to 13, the α-type aluminum oxide layer formed as a surface layer of the coated tools 1 to 30 of the present invention is formed from α-type aluminum oxide crystal grains. Is a relatively large particle size, and the shape thereof can be spheroidized and ellipsoidal, and further, the formation of fragile tissue can be suppressed. When used in high-speed interrupted cutting, it exhibits excellent wear resistance over a long period of use without causing abnormal damage such as chipping, chipping or peeling.

これに対して、比較例の被覆工具1〜30は、α型の酸化アルミニウム結晶粒の平均粒径が本発明で規定する数値範囲を外れるもの、あるいは、該結晶粒のうち、曲率の最大値が70(μm)−1以下の結晶粒の占める面積割合が本発明で規定する数値範囲を外れるものであって、高速断続切削加工に用いた場合、チッピング、欠損等の異常損傷が発生することにより、短時間で工具寿命に至ることは明らかである。 On the other hand, the coated tools 1 to 30 of the comparative examples are those in which the average particle diameter of the α-type aluminum oxide crystal grains is out of the numerical range defined in the present invention, or, among the crystal grains, the maximum value of curvature. The area ratio occupied by crystal grains of 70 (μm) −1 or less is outside the numerical range defined in the present invention, and abnormal damage such as chipping and chipping occurs when used for high-speed intermittent cutting. It is clear that the tool life is reached in a short time.

この発明の被覆工具は、実施例として記載したインサート形状の工具としてばかりでなく、ドリル、エンドミルなどでも同様の結果が得られるものであって、工具寿命の長寿命化を図ることができ、実用上の効果が大である。








The coated tool according to the present invention can be used not only as an insert-shaped tool described as an example but also with a drill, an end mill, etc. The above effect is great.








Claims (5)

炭化タングステン基超硬合金、炭窒化チタン基サーメットからなる工具基体の表面に、硬質被覆層を被覆してなる表面被覆切削工具において、
(a)上記硬質被覆層の最表面層は、0.2〜5.0μmの平均層厚を有するα型の酸化アルミニウム層からなり、
(b)上記α型の酸化アルミニウム層を構成するα型の酸化アルミニウム結晶粒の平均結晶粒径は、上記α型の酸化アルミニウム層の平均層厚より小さく、かつ、0.05〜0.4μmの範囲内であり、
(c)上記α型の酸化アルミニウム層の断面を観察し、0.05〜0.4μmの範囲内の平均結晶粒径を有する上記α型の酸化アルミニウム結晶粒の断面形状を近似して各結晶粒の曲率を求めた場合に、形状近似した各結晶粒の曲率の最大値が70(μm)−1以下であるα型の酸化アルミニウム結晶粒が、観察視野中に存在する全結晶粒の60面積%以上を占めることを特徴とする表面被覆切削工具。
In a surface-coated cutting tool formed by coating a hard coating layer on the surface of a tool base made of tungsten carbide-based cemented carbide or titanium carbonitride-based cermet,
(A) The outermost surface layer of the hard coating layer is composed of an α-type aluminum oxide layer having an average layer thickness of 0.2 to 5.0 μm,
(B) The average crystal grain size of the α-type aluminum oxide crystal grains constituting the α-type aluminum oxide layer is smaller than the average layer thickness of the α-type aluminum oxide layer and is 0.05 to 0.4 μm. Within the range of
(C) Observe the cross-section of the α-type aluminum oxide layer and approximate the cross-sectional shape of the α-type aluminum oxide crystal grains having an average crystal grain size in the range of 0.05 to 0.4 μm. When the curvature of the grains is obtained, α-type aluminum oxide crystal grains whose maximum value of the curvature of each crystal grain whose shape is approximated are 70 (μm) −1 or less are 60% of all crystal grains present in the observation field. A surface-coated cutting tool characterized by occupying at least area%.
炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体の表面に、硬質被覆層を被覆形成してなる表面被覆切削工具において、
上記工具基体の表面から深さ方向に0.5〜3.0μmの平均層厚を有する基体表面硬化層が形成され、該基体表面硬化層に含まれる結合相金属としてのCoの平均含有量が、2.0質量%未満であることを特徴とする請求項1に記載の表面被覆切削工具。
In a surface-coated cutting tool formed by coating a hard coating layer on the surface of a tool substrate made of a tungsten carbide-based cemented carbide,
A base surface hardened layer having an average layer thickness of 0.5 to 3.0 μm in the depth direction from the surface of the tool base is formed, and an average content of Co as a binder phase metal contained in the base surface hardened layer is The surface-coated cutting tool according to claim 1, wherein the surface-coated cutting tool is less than 2.0% by mass.
炭窒化チタン基サーメットからなる工具基体の表面に、硬質被覆層を被覆形成してなる表面被覆切削工具において、
上記工具基体の表面から深さ方向に0.5〜3.0μmの平均層厚を有する基体表面硬化層が形成され、該基体表面硬化層に含まれる結合相金属としてのCo及びNiの合計平均含有量が、2.0質量%未満であることを特徴とする請求項1に記載の表面被覆切削工具。
In a surface-coated cutting tool formed by coating a hard coating layer on the surface of a tool base made of titanium carbonitride-based cermet,
A base surface hardened layer having an average layer thickness of 0.5 to 3.0 μm in the depth direction from the surface of the tool base is formed, and the total average of Co and Ni as binder phase metals contained in the base surface hardened layer Content is less than 2.0 mass%, The surface-coated cutting tool of Claim 1 characterized by the above-mentioned.
上記α型の酸化アルミニウム層は微粒のTi酸化物を含有し、該α型の酸化アルミニウム層に含有されるTiの含有量は、α型の酸化アルミニウム層中に含有される全金属元素の0.2〜10原子%であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。   The α-type aluminum oxide layer contains fine Ti oxide, and the content of Ti contained in the α-type aluminum oxide layer is 0% of the total metal elements contained in the α-type aluminum oxide layer. The surface-coated cutting tool according to claim 1, wherein the surface-coated cutting tool is 2 to 10 atomic%. 上記α型の酸化アルミニウム層は、予めTi酸化物微粒子を添加したゾルを用いたゾル−ゲル法により形成ることを特徴とする請求項に記載の表面被覆切削工具の製造方法The α-type aluminum oxide layer of the pre-Ti oxide sol using a sol obtained by adding fine particles - method for producing a surface-coated cutting tool according to claim 4, characterized that you formed gel method.
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