JP7140163B2 - 被覆切削工具 - Google Patents
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Description
[1]
基材と前記基材の表面に形成された被覆層とを含み、
前記被覆層は、第1層と第2層とが交互にそれぞれ1層以上積層された積層構造を有し、
前記第1層は、下記式(1):
Ti(CxN1-x) (1)
[式中、xはC元素とN元素との合計に対するC元素の原子比を表し、0.02≦x≦0.30を満足する。]
で表される組成からなる化合物層であり、
前記第2層は、下記式(2):
(TiyAl1-y)N (2)
[式中、yはTi元素とAl元素との合計に対するTi元素の原子比を表し、0.25≦y≦0.75を満足する。]
で表される組成からなる化合物層であり、
前記積層構造は、前記基材側から前記被覆層の表面側に向かって、第1積層構造、第2積層構造及び第3積層構造をこの順で含み、
前記第1積層構造における前記第1層及び前記第2層のそれぞれの1層当たりの平均厚さが、500nmを超え3000nm以下であり、
前記第2積層構造における前記第1層及び前記第2層のそれぞれの1層当たりの平均厚さが、50nmを超え500nm以下であり、
前記第3積層構造における前記第1層及び前記第2層のそれぞれの1層当たりの平均厚さが、5nm以上50nm以下であり、
前記第1積層構造の平均厚さが、1.0μmを超え6.0μm以下であり、
前記第2積層構造の平均厚さが、0.1μmを超え2.0μm以下であり、
前記第3積層構造の平均厚さが、0.1μm以上2.0μm以下である、被覆切削工具。
[2]
前記基材と前記被覆層との界面から前記被覆層の表面側に向かって300nmの位置において、前記被覆層を構成する結晶粒の平均粒径が、50nm以上500nm以下であり、
前記第3積層構造における前記基材と反対側の表面から前記基材側に向かって100nmの位置において、前記被覆層を構成する結晶粒の平均粒径が、5nm以上50nm未満である、[1]に記載の被覆切削工具。
[3]
前記被覆層は、前記第3積層構造における前記基材と反対側の表面に、上部層を有し、
前記上部層は、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、C、N、O及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物(ただし、前記式(1)で表される組成からなる化合物及び前記式(2)で表される組成からなる化合物を除く。)の単層又は積層であり、
前記上部層の平均厚さが、0.1μm以上3.5μm以下である、[1]又は[2]に記載の被覆切削工具。
[4]
前記被覆層全体の平均厚さが、4.0μm以上12.0μm以下である、[1]~[3]のいずれかに記載の被覆切削工具。
[5]
前記基材は、超硬合金、サーメット、セラミックス又は立方晶窒化硼素焼結体のいずれかである、[1]~[4]のいずれかに記載の被覆切削工具。
第1層は、下記式(1):
Ti(CxN1-x) (1)
[式中、xはC元素とN元素との合計に対するC元素の原子比を表し、0.02≦x≦0.30を満足する。]
で表される組成からなる化合物層であり、
第2層は、下記式(2):
(TiyAl1-y)N (2)
[式中、yはTi元素とAl元素との合計に対するTi元素の原子比を表し、0.25≦y≦0.75を満足する。]
で表される組成からなる化合物層であり、
積層構造は、基材側から被覆層の表面側に向かって、第1積層構造、第2積層構造及び第3積層構造をこの順で含み、第1積層構造における第1層及び第2層のそれぞれの1層当たりの平均厚さが、500nmを超え3000nm以下であり、第2積層構造における第1層及び第2層のそれぞれの1層当たりの平均厚さが、50nmを超え500nm以下であり、第3積層構造における第1層及び第2層のそれぞれの1層当たりの平均厚さが、5nm以上50nm以下であり、第1積層構造の平均厚さが、1.0μmを超え6.0μm以下であり、第2積層構造の平均厚さが、0.1μmを超え2.0μm以下であり、第3積層構造の平均厚さが、0.1μm以上2.0μm以下である。
本実施形態の被覆切削工具において、第1層は、下記式(1)で表される組成からなる化合物層である。
Ti(CxN1-x) (1)
[式中、xはC元素とN元素との合計に対するC元素の原子比を表し、0.02≦x≦0.30を満足する。]
本実施形態の被覆切削工具は、第2層が、下記式(2)で表される組成からなる化合物層である。
(TiyAl1-y)N (2)
[式中、yはTi元素とAl元素との合計に対するTi元素の原子比を表し、0.25≦y≦0.75を満足する。]
本実施形態の被覆切削工具は、被覆層において、第1層と第2層とが交互にそれぞれ1層以上積層された積層構造を有する。本実施形態の被覆切削工具は、被覆層において、第1層と第2層とが交互にそれぞれ1層以上積層された積層構造を有すると、界面整合性が低くなるため、硬さが高くなり、その結果、耐摩耗性が向上する。また、本実施形態の被覆切削工具は、被覆層において、第1層及び第2層を交互にそれぞれ1層以上積層された積層構造を有することで、各層同士の密着性も向上するため、耐剥離性を起因とした欠損を抑制することができる。
なお、本実施形態において、被覆層を構成する結晶粒の平均粒径は、基材の表面と平行な方向に線を引き、この線の長さをこの線上に存在する結晶粒の数で除した値とする。具体的には、被覆層を構成する結晶粒の平均粒径は、後述の実施例に記載の方法により測定することができる。また、被覆層を構成する結晶粒は、式(1)で表される組成からなる化合物の結晶粒、式(2)で表される組成からなる化合物の結晶粒のいずれかを含むか、式(1)で表される組成からなる化合物の結晶粒及び式(2)で表される組成からなる化合物の結晶粒の両方が含まれる。
本実施形態の被覆切削工具は、第2積層構造において、第1層と第2層との繰り返し数が、1回以上40回以下が好ましく、1回以上30回以下がより好ましく、1回以上20回以下がさらに好ましく、1回以上10回以下が特に好ましい。
本実施形態の被覆切削工具は、第3積層構造において、第1層と第2層との繰り返し数が、1回以上400回以下が好ましく、2回以上300回以下がより好ましく、3回以上200回以下がさらに好ましく、5回以上100回以下が特に好ましい。
なお、本実施形態において、第1層と、第2層とを1層ずつ形成した場合、「繰り返し数」は1回である。
本実施形態に用いる被覆層は、第3積層構造における基材と反対側の表面に上部層を有してもよい。上部層は、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、C、N、O及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物(ただし、式(1)で表される組成からなる化合物及び式(2)で表される組成からなる化合物を除く。)の単層又は積層であることが好ましい。上部層がこのような化合物の単層又は積層であると、耐摩耗性に一層優れるので、さらに好ましい。また、上記と同様の観点から、上部層は、Ti、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、C、N、O及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物(ただし、式(1)で表される組成からなる化合物及び式(2)で表される組成からなる化合物を除く。)を含むとより好ましく、Ti、Nb、Ta、Cr、W、Al、Si及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、Nとからなる化合物(ただし、式(2)で表される組成からなる化合物を除く。)を含むとさらに好ましい。また、上部層は単層であってもよく2層以上の多層(積層)であってもよい。
本実施形態に用いる被覆層は、基材と、第1層及び第2層の積層構造との間に下部層を有すると好ましい。これにより、基材と被覆層との密着性が更に向上する傾向にある。その中でも、下部層は、上記と同様の観点から、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、C、N、O及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物(ただし、式(1)で表される組成からなる化合物及び式(2)で表される組成からなる化合物を除く。)を含むと好ましく、Ti、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、C、N、O及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物(ただし、式(1)で表される組成からなる化合物及び式(2)で表される組成からなる化合物を除く。)を含むとより好ましく、Ti、Ta、Cr、W、Al、Si、及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、Nとからなる化合物(ただし、式(2)で表される組成からなる化合物を除く。)を含むとさらに好ましい。また、下部層は単層であってもよく2層以上の多層であってもよい。
本実施形態の被覆切削工具における被覆層の製造方法は、特に限定されるものではないが、例えば、イオンプレーティング法、アークイオンプレーティング法、スパッタ法、及びイオンミキシング法などの物理蒸着法が挙げられる。物理蒸着法を使用して、被覆層を形成すると、シャープエッジを形成することができるので好ましい。その中でも、アークイオンプレーティング法は、被覆層と基材との密着性に一層優れるので、より好ましい。
本実施形態の被覆切削工具の製造方法について、以下に具体例を用いて説明する。なお、本実施形態の被覆切削工具の製造方法は、当該被覆切削工具の構成を達成し得る限り、特に制限されるものではない。
基材として、CNMG120408-SMのインサート(89.6WC-9.8Co-0.6Cr3C2(以上質量%)の組成を有する超硬合金)を用意した。アークイオンプレーティング装置の反応容器内に、表1及び表2に示す各層の組成になるようTiC蒸発源及び金属蒸発源を配置した。用意した基材を、反応容器内の回転テーブルの固定金具に固定した。
得られた試料について、以下のとおり、市販の透過型顕微鏡(TEM)を用いて、基材と被覆層との界面から被覆層の表面側に向かって300nmの位置(以下、単に「基材から300nmの位置」とも記す)における結晶粒の平均粒径、並びに第3積層構造の基材と反対側の表面から基材側に向かって100nmの位置(以下、単に「第3積層構造の表面から100nmの位置」とも記す)における結晶粒の平均粒径を測定した。まず、集束イオンビーム(FIB)加工機を用いて、被覆層の断面(被覆層の厚さを観察するときと同じ方向の断面:基材表面に対して垂直方向)を観察面とする薄膜の試料を作製した。作製した試料の観察面について走査透過電子像(STEM像)の写真を撮影した。撮影した写真の基材から300nmの位置において、基材の表面と平行な方向に直線を引き、この線上に存在する結晶粒の数を測定した。この直線の長さをこの線上に存在する結晶粒の数で除し、得られた値を基材から300nmの位置における結晶粒の平均粒径とした。このとき、直線の長さを10μm以上とした。同様に、撮影した写真の第3積層構造の表面から100nmの位置において、基材の表面と平行な方向に直線を引き、この直線の長さをこの線上に存在する結晶粒の数で除し、得られた値を第3積層構造の表面から100nmの位置における結晶粒の平均粒径とした。測定結果を、表5及び表6に示す。
被削材:SUS304
被削材形状:120mm×400mmの丸棒
切削速度:150m/min
1刃あたりの送り:0.25mm/rev
切り込み深さ:2.0mm
クーラント:使用
評価項目:試料が欠損(試料の切れ刃部に欠けが生じる)したとき、又は逃げ面摩耗幅が0.30mmに至ったときを工具寿命とし、工具寿命に至るまでの加工時間を測定した。また、加工時間が10分のときの損傷形態をSEMで観察した。なお、加工時間が10分であるときの損傷形態が「チッピング」であるのは、加工を継続できる程度の欠けであったことを意味する。また、加工時間が長いことは、耐欠損性及び耐摩耗性に優れていることを意味する。得られた評価の結果を表7及び表8に示す。
Claims (5)
- 基材と前記基材の表面に形成された被覆層とを含み、
前記被覆層は、第1層と第2層とが交互にそれぞれ1層以上積層された積層構造を有し、
前記第1層は、下記式(1):
Ti(CxN1-x) (1)
[式中、xはC元素とN元素との合計に対するC元素の原子比を表し、0.02≦x≦0.30を満足する。]
で表される組成からなる化合物層であり、
前記第2層は、下記式(2):
(TiyAl1-y)N (2)
[式中、yはTi元素とAl元素との合計に対するTi元素の原子比を表し、0.25≦y≦0.75を満足する。]
で表される組成からなる化合物層であり、
前記積層構造は、前記基材側から前記被覆層の表面側に向かって、順に、第1積層構造、第2積層構造及び第3積層構造の3つの積層構造からなり、
前記第1積層構造における前記第1層及び前記第2層のそれぞれの1層当たりの平均厚さが、500nmを超え3000nm以下であり、
前記第2積層構造における前記第1層及び前記第2層のそれぞれの1層当たりの平均厚さが、50nmを超え500nm以下であり、
前記第3積層構造における前記第1層及び前記第2層のそれぞれの1層当たりの平均厚さが、5nm以上50nm以下であり、
前記第1積層構造の平均厚さが、1.0μmを超え6.0μm以下であり、
前記第2積層構造の平均厚さが、0.1μmを超え2.0μm以下であり、
前記第3積層構造の平均厚さが、0.1μm以上2.0μm以下である、被覆切削工具。 - 前記基材と前記被覆層との界面から前記被覆層の表面側に向かって300nmの位置において、前記被覆層を構成する結晶粒の平均粒径が、50nm以上500nm以下であり、
前記第3積層構造における前記基材と反対側の表面から前記基材側に向かって100nmの位置において、前記被覆層を構成する結晶粒の平均粒径が、5nm以上50nm未満である、請求項1に記載の被覆切削工具。 - 前記被覆層は、前記第3積層構造における前記基材と反対側の表面に、上部層を有し、
前記上部層は、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、C、N、O及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物(ただし、前記式(1)で表される組成からなる化合物及び前記式(2)で表される組成からなる化合物を除く。)の単層又は積層であり、
前記上部層の平均厚さが、0.1μm以上3.5μm以下である、請求項1又は2に記載の被覆切削工具。 - 前記被覆層全体の平均厚さが、4.0μm以上12.0μm以下である、請求項1~3のいずれか一項に記載の被覆切削工具。
- 前記基材は、超硬合金、サーメット、セラミックス又は立方晶窒化硼素焼結体のいずれかである、請求項1~4のいずれか一項に記載の被覆切削工具。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020134827A JP7140163B2 (ja) | 2020-08-07 | 2020-08-07 | 被覆切削工具 |
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