JP7274121B2 - A surface-coated cutting tool with a hard coating layer that exhibits excellent wear resistance and peeling resistance. - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、合金鋼やステンレス鋼等の高速切削加工において、硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性および耐剥離性を備えることにより、長期の使用に亘り、すぐれた切削性能を有する表面被覆切削工具（以下、「被覆工具」という。）に関するものである。 The present invention provides a surface coating having excellent cutting performance over a long period of use, for example, in high-speed cutting of alloy steel, stainless steel, etc., by providing a hard coating layer with excellent wear resistance and peeling resistance. The present invention relates to cutting tools (hereinafter referred to as "coated tools").
従来、例えば、各種鋼の切削加工においては、炭化タングステン基等の超硬合金基体表面に、下部層として化学蒸着形成されたＴｉの窒化物（ＴｉＮ）や炭窒化物（ＴｉＣＮ）層等のＴｉ化合物層を有し、上部層としてＴａ、ＮｂやＭｏ等の窒化物を化学蒸着により形成された硬質被覆層を有する被覆工具が用いられている。
しかしながら、近年、各種鋼の切削加工における高能率化が求められており、合金鋼やステンレス鋼の切削加工においては、高速切削化が求められる中、従来の表面被覆切削工具では、例えば、二層構造の皮膜に対し、切削時に基材の表面に平行な方向の力が皮膜に加わると、皮膜を構成する各層の間にて剥離が生じ、さらに皮膜が摩耗するというような問題を有していた。
Conventionally, for example, in the cutting of various steels, a Ti nitride (TiN) or carbonitride (TiCN) layer such as a Ti nitride (TiN) or carbonitride (TiCN) layer is formed as a lower layer by chemical vapor deposition on the surface of a cemented carbide base such as a tungsten carbide base. A coated tool having a compound layer and a hard coating layer formed by chemical vapor deposition of a nitride such as Ta, Nb, or Mo as an upper layer is used.
However, in recent years, there has been a demand for higher efficiency in the cutting of various steels, and in the cutting of alloy steels and stainless steels, high-speed cutting is required. When a force parallel to the surface of the base material is applied to the structural film during cutting, separation occurs between the layers that make up the film, and the film is further worn. rice field.
そこで、例えば、特許文献１では、表面被覆切削工具の基材上に２以上の層を含み、少なくとも一層は、ＴａＮからなる第１化合物層であり、該第１化合物層は、基材側から厚み方向に非晶質からなる非晶質領域と六方晶構造からなる結晶質領域とを順に有し、他の一層は、第１化合物層の直下の第２化合物層であり、該第２化合物層は、立方晶構造を含む結晶構造からなる層であり、ＭＴａＮ（ここで、Ｍは、Ｔｉ、ＴｉＡｌまたはＴｉＨｆからなる）からなる層とすることにより、耐摩耗性と潤滑性を高いレベルで両立する被覆切削工具が提案されている。 Therefore, for example, in Patent Document 1, two or more layers are included on the substrate of the surface-coated cutting tool, at least one layer is a first compound layer made of TaN, and the first compound layer is formed from the substrate side It has an amorphous region having an amorphous structure and a crystalline region having a hexagonal crystal structure in order in the thickness direction, and the other layer is a second compound layer immediately below the first compound layer, and the second compound layer The layer is a layer having a crystal structure including a cubic crystal structure, and is made of MTaN (where M is Ti, TiAl or TiHf), thereby improving wear resistance and lubricity at a high level. Compatible coated cutting tools have been proposed.
近年の切削加工における省力化および省エネ化への要求は強く、これに伴い、被覆工具は一段と過酷な条件下にて使用されるようになってきており、たとえば、合金鋼やステンレス鋼等の高速切削加工において、すぐれた耐摩耗性およびすぐれた耐剥離性を発揮することが求められている。
しかしながら、前記特許文献１において提案されている、表面被覆切削工具を用い、被覆工具を合金鋼やステンレス鋼等の高速切削加工に用いることによっても、従来のＰＶＤ－ＴａＮやＴｉＴａＮ皮膜では、六方晶構造の皮膜を含んでいるため、皮膜硬さが低く、また、刃先の温度が高温になる加工では、相変態が生じ皮膜の耐チッピング性が劣化するため、溶着チッピングが頻発し、耐摩耗性および耐剥離性を発揮するには、不向きであるという問題点を有していた。
In recent years, there has been a strong demand for labor saving and energy saving in cutting. In cutting, it is required to exhibit excellent wear resistance and excellent peeling resistance.
However, even by using the surface-coated cutting tool proposed in Patent Document 1 and using the coated tool for high-speed cutting of alloy steel, stainless steel, etc., conventional PVD-TaN and TiTaN coatings have a hexagonal crystal structure. Because it contains a structural coating, the hardness of the coating is low, and when the temperature of the cutting edge is high, phase transformation occurs and the chipping resistance of the coating deteriorates, resulting in frequent adhesion chipping and wear resistance. In addition, it has a problem that it is unsuitable for exhibiting peeling resistance.
そこで、本発明者らは、前述の観点から、前記被覆工具を合金鋼やステンレス鋼等の高速切削加工に用いた場合においても、長期の使用にわたり、すぐれた耐摩耗性および耐剥離性を兼ね備え、工具寿命の向上をもたらす、被覆工具について、鋭意研究を行った結果、以下の知見を得た。
すなわち、本発明者らは、限定された条件にて、ＴｉＴａＮＣからなる炭窒化物層（以下、「ＴｉＴａ複合炭窒化物層」ともいう。）を成膜することにより、工具基体のほぼ法線方向に形成された、超微粒組織を有する立方晶柱状組織が得られ、前記ＴｉＴａ複合炭窒化物層の硬さが向上することにより、切削試験時における摩耗脱離単位が小さく、異常摩耗が抑制される結果、合金鋼やステンレス鋼の高速切削加工に際し、耐摩耗性および耐剥離性にすぐれた切削特性を有する硬質被覆層が得られることを見出した。
さらには、前記ＴｉＴａ複合炭窒化物層では、Ｔａ量がＴｉとＴａとの合量に対して占める含有割合（以後、「Ｔａ含有割合」ともいう）、および、Ｃ量がＮとＣとの合量に占める含有割合（以後、「Ｃ含有割合」ともいう）が、周期的に変化する組成変動組織を有するとともに、前記組成変動組織は、特に、Ｔａ含有割合について、最高含有割合を示すＴａ最高含有点および最低含有割合を示すＴａ最低含有点の周期および位置と、Ｃ含有割合について、最高含有割合を示すＣ最高含有点および最低含有割合を示すＣ最低含有点の周期および位置とがそれぞれ同期した組織とすることにより、高硬度の微細結晶粒を含有する耐摩耗性および耐剥離性にすぐれた硬質被覆層が得られることを知見した。
そして、かかるＴｉＴａ複合炭窒化物層を硬質被覆層として有する被覆切削工具は、従来の被覆切削工具に対して、すぐれた耐摩耗性および耐剥離性を発揮することから、合金鋼やステンレス鋼の高速切削加工用として、長期の使用にわたり、すぐれた工具寿命を有することを見出したものである。
Therefore, from the above-mentioned viewpoint, the present inventors have found that even when the coated tool is used for high-speed cutting of alloy steel, stainless steel, etc., it has excellent wear resistance and peeling resistance over long-term use. As a result of intensive research on coated tools that bring about improvement in tool life, the following findings were obtained.
That is, the present inventors have found that by forming a carbonitride layer made of TiTaNC (hereinafter also referred to as "TiTa composite carbonitride layer") under limited conditions, A cubic columnar structure having an ultrafine grain structure formed in the direction is obtained, and the hardness of the TiTa composite carbonitride layer is improved, so that the wear-detachment unit is small during the cutting test, and abnormal wear is suppressed. As a result, it was found that a hard coating layer having excellent cutting properties such as wear resistance and peeling resistance can be obtained in high-speed cutting of alloy steel and stainless steel.
Furthermore, in the TiTa composite carbonitride layer, the content ratio of Ta to the total amount of Ti and Ta (hereinafter also referred to as “Ta content ratio”), and the amount of C is the ratio of N and C. The content ratio in the total amount (hereinafter also referred to as “C content ratio”) has a composition variation structure that periodically changes, and the composition variation structure particularly has the highest Ta content ratio with respect to the Ta content ratio. The period and position of the Ta minimum content point indicating the highest content point and the lowest content rate, and the period and position of the C highest content point indicating the highest content rate and the C lowest content point indicating the lowest content rate for the C content rate, respectively. It has been found that a synchronous structure provides a hard coating layer containing fine crystal grains with high hardness and excellent in wear resistance and peeling resistance.
A coated cutting tool having such a TiTa composite carbonitride layer as a hard coating layer exhibits superior wear resistance and peeling resistance to conventional coated cutting tools. It has been found to have excellent tool life over long-term use for high-speed cutting.
本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「（１）炭化タングステン基超硬合金または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が形成されてなる表面被覆切削工具において、
（ａ）前記硬質被覆層は、前記工具基体の表面側から下部層および上部層を有してなり、
（ｂ）前記下部層は、Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層および炭窒酸化物層のうちの１層または２層以上からなり、かつ、０．１～３．０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層を有し、
（ｃ）前記上部層は、１．０～１５．０μｍの平均層厚を有する立方晶Ｔｉ１－ｘＴａｘＮ１－ｙＣｙ（但し、ｘおよびｙはいずれも原子比であって、ｘは、Ｔａ量がＴｉとＴａとの合量に対して占める平均含有割合を表し、０．３０≦ｘ≦０．９０であり、ｙは、Ｃ量がＮとＣとの合量に対して占める平均含有割合を表し、０＜ｙ≦０．６０である。）からなる層を有し、
（ｄ）前記Ｔｉ１－ｘＴａｘＮ１－ｙＣｙ層は、Ｔａ量がＴｉとＴａとの合量に対して占める含有割合、および、Ｃ量がＮとＣとの合量に対して占める含有割合が周期的に変化する組成変動組織を有し、
（ｄ－１）縦断面観察において、前記組成変動組織が工具基体の法線に対して０～１０°の方向に存在しており、また、前記組成変動組織は平均粒子幅が２～１００ｎｍの柱状構造組織であり、
（ｄ－２）前記組成変動組織における前記Ｔａ量が前記ＴｉとＴａとの合量に対して占める含有割合について、最高含有割合ｘｍａｘを示すＴａ最高含有点と最低含有割合ｘｍｉｎを示すＴａ最低含有点とが繰り返され、前記繰り返される隣接するＴａ最高含有点とＴａ最低含有点の間隔の平均値である平均間隔が２～２０ｎｍであり、前記Ｔａ最高含有点の最高含有割合ｘｍａｘと前記Ｔａ最低含有点の最低含有割合ｘｍｉｎとの差Δｘの絶対値の平均値が０．０４以上であり、
（ｄ－３）前記組成変動組織におけるＣ量が前記ＮとＣとの合量に対して占める含有割合について、Ｃ量の最高含有割合ｙｍａｘを示すＣ最高含有点とＣ量の最低含有割合ｙｍｉｎを示すＣ最低含有点とが繰り返され、前記繰り返される隣接するＣ最高含有点とＣ最低含有点の間隔の平均値である平均間隔が２～２０ｎｍであり、前記Ｃ最高含有点の最高含有割合ｙｍａｘと前記Ｃ最低含有点の最低含有割合ｙｍｉｎとの差Δｙの絶対値の平均値が０．０４以上であり、
（ｄ－４）前記組成変動組織におけるＴａ量が前記ＴｉとＴａとの合量に対して占める含有割合について、最高含有割合ｘｍａｘを示すＴａ最高含有点と最低含有割合ｘｍｉｎを示すＴａ最低含有点とのそれぞれの周期および位置と、Ｃ量が前記ＮとＣとの合量に対して占める含有割合について、最高含有割合ｙｍａｘを示すＣ最高含有点と、最低含有割合ｙｍｉｎを示すＣ最低含有点とのそれぞれの周期および位置とはそれぞれに対応して同期しており、前記それぞれに対応して同期するＴａ最高含有点と、そのＴａ最高含有点から最も近い位置にあるＣ最高含有点との間隔の平均値が、前記Ｔａ最高含有点とその隣接するＴａ最低含有点との平均間隔の１／５以下であること、
を特徴とする表面被覆切削工具。
（２） （１）に記載された表面被覆切削工具において、前記上部層であるＴｉ１－ｘＴａｘＮ１－ｙＣｙ層のナノインデンテーション押込み硬さ（押込み荷重２００ｍｇｆ）が４５００ｋｇｆ／ｍｍ２以上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） （１）または（２）に記載された表面被覆切削工具において、前記上部層である前記Ｔｉ１－ｘＴａｘＮ１－ｙＣｙ層の上層として、０．５～５．０μｍの平均層厚を有するα型もしくはκ型のＡｌ２Ｏ３層を有することを特徴とする（１）または（２）に記載された表面被覆切削工具。」を特徴とするものである。
The present invention was made based on the above findings,
"(1) A surface-coated cutting tool in which a hard coating layer is formed on the surface of a tool substrate made of a tungsten carbide-based cemented carbide or a titanium carbonitride-based cermet,
(a) the hard coating layer has a lower layer and an upper layer from the surface side of the tool substrate;
(b) the lower layer is composed of one or more layers selected from a Ti carbide layer, a nitride layer, a carbonitride layer, a carbonate layer and a carbonitride layer; having a Ti compound layer with a total average layer thickness of .0 μm,
(c) the upper layer is cubic Ti 1-x Ta x N 1-y C y having an average layer thickness of 1.0 to 15.0 μm, where x and y are both atomic ratios; x represents the average content ratio of the Ta amount to the total amount of Ti and Ta, and is 0.30 ≤ x ≤ 0.90, and y is the amount of C to the total amount of N and C represents the average content ratio of the
(d) In the Ti 1-x Ta x N 1-y Cy layer, the content ratio of Ta to the total amount of Ti and Ta and the amount of C to the total amount of N and C are having a composition-varying structure in which the content ratio occupied by the
(d-1) Observation of the longitudinal section shows that the composition variation structure exists in a direction of 0 to 10° with respect to the normal line of the tool substrate, and the composition variation structure has an average grain width of 2 to 100 nm. is a columnar structure organization,
(d-2) Regarding the content ratio of the Ta amount to the total amount of Ti and Ta in the composition-varied structure, the maximum Ta content point indicating the maximum content ratio x max and Ta indicating the minimum content ratio x min the minimum content point is repeated, the average interval that is the average value of the distance between the Ta maximum content point and the Ta minimum content point that are adjacent to each other is 2 to 20 nm, and the maximum content ratio x max of the Ta maximum content point and The average value of the absolute values of the difference Δx between the Ta minimum content point and the minimum content ratio x min is 0.04 or more,
(d-3) With regard to the content ratio of the C content to the total amount of N and C in the composition-variable structure, the maximum C content point and the minimum content ratio of the C content, which indicate the maximum content ratio ymax of the C content. The C lowest content point indicating y min is repeated, and the average interval, which is the average value of the interval between the repeated adjacent C highest content point and the C lowest content point, is 2 to 20 nm, and the highest of the C highest content points The average value of the absolute values of the difference Δy between the content ratio y max and the minimum content ratio y min of the C minimum content point is 0.04 or more,
(d-4) Regarding the content ratio of the Ta amount to the total amount of Ti and Ta in the composition-varied structure, a Ta maximum content point indicating the maximum content rate x max and a Ta minimum indicating the minimum content rate x min With respect to each cycle and position of the content point and the content ratio of the amount of C to the total amount of N and C, the C maximum content point indicating the maximum content ratio y max and the minimum content ratio y min are shown. Each period and position with the C lowest content point are synchronized with each other, and the Ta highest content point synchronized with each corresponding and the C highest content point closest to the Ta highest content point The average value of the distance between the Ta content points is 1/5 or less of the average distance between the Ta maximum content point and its adjacent Ta minimum content point,
A surface-coated cutting tool characterized by:
(2) In the surface-coated cutting tool described in (1), the nanoindentation indentation hardness (indentation load 200 mgf) of the Ti 1-x Ta x N 1-y C y layer as the upper layer is 4500 kgf / mm 2 or more, the surface coated cutting tool according to (1).
(3) In the surface-coated cutting tool described in (1) or (2), the upper layer of the Ti 1-x Ta x N 1-y C y layer, which is the upper layer, has a thickness of 0.5 to 5.0 μm The surface-coated cutting tool according to (1) or (2), characterized by having an α-type or κ-type Al 2 O 3 layer having an average layer thickness of . ” is characterized.
つぎに、本発明の被覆工具について、詳細に説明する。 Next, the coated tool of the present invention will be described in detail.
硬質被覆層；
本発明に係る硬質被覆層は、工具基体側より、１層または２層以上のＴｉ化合物層からなる下部層と、ＴｉＴａ複合炭窒化物層からなる上部層とを有するものであり、さらに必要に応じて、上部層の上層（最上層）として、α型もしくはκ型の酸化アルミニウム層（Ａｌ２Ｏ３層）を有するものである。
硬質被覆層が下部層と上部層とからなる場合、硬質被覆層の合計平均層厚は、１．１μｍ未満では、長期にわたり耐摩耗性を発揮することができず、一方、１８．０μｍを超えると欠損やチッピングが発生し易くなるため、１．１～１８．０μｍとすることが望ましく、
また、最上層を含む場合においては、硬質被覆層の合計平均膜厚は、１．６～２３．０μｍとすることが望ましい。
硬質被覆層における各層および全体の平均層厚は、例えば、工具基体に対し垂直方向断面において、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）、または、ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ（高角環状暗視野走査透過型電子顕微鏡）を用いて測定することができる。
hard coating layer;
The hard coating layer according to the present invention has, from the tool substrate side, a lower layer consisting of one or more Ti compound layers and an upper layer consisting of a TiTa composite carbonitride layer, and further optionally Accordingly, it has an α-type or κ-type aluminum oxide layer (Al 2 O 3 layer) as an upper layer (uppermost layer) of the upper layer.
When the hard coating layer consists of a lower layer and an upper layer, if the total average layer thickness of the hard coating layer is less than 1.1 μm, wear resistance cannot be exhibited for a long period of time, and on the other hand, it exceeds 18.0 μm. It is desirable to set the thickness to 1.1 to 18.0 μm, because it is easy for defects and chipping to occur.
Moreover, when the uppermost layer is included, the total average thickness of the hard coating layer is preferably 1.6 to 23.0 μm.
The average layer thickness of each layer and the total in the hard coating layer can be measured, for example, in a section perpendicular to the tool substrate by SEM (Scanning Electron Microscope), TEM (Transmission Electron Microscope) or HAADF-STEM (High Angle Annular Dark Field can be measured using a scanning transmission electron microscope).
下部層；
工具基体上に形成する下部層は、Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層および炭窒酸化物層のうちの１層または２層以上のＴｉ化合物層からなり、工具基体と上部層である、ＴｉＴａ複合炭窒化物層との密着性を高めることができるため、欠損、剥離等の異常損傷の発生を抑制することができる。
Ｔｉ化合物層からなる下部層の合計平均膜厚は、０．１μｍ未満では、下部層の効果が十分発揮されず、一方、３．０μｍを超えると結晶粒が粗大化し易くなり、チッピングを発生しやすくなるため、０．１μｍ～３．０μｍとすることが望ましい。
lower layer;
The lower layer formed on the tool substrate is composed of one or more Ti compound layers selected from a Ti carbide layer, a nitride layer, a carbonitride layer, a carbonate layer and a carbonitride layer. Since the adhesion between the substrate and the TiTa composite carbonitride layer, which is the upper layer, can be enhanced, the occurrence of abnormal damage such as chipping and peeling can be suppressed.
When the total average thickness of the lower layer made of the Ti compound layer is less than 0.1 μm, the effect of the lower layer is not sufficiently exhibited. 0.1 μm to 3.0 μm is desirable.
上部層（複合炭窒化物層）；
（１）成分組成、平均層厚
本発明に係る複合炭窒化物は、ＴｉＴａ複合炭窒化物層からなるものであって、前記複合炭窒化物層を構成するＴｉＴａ複合炭窒化物は、組成式（Ｔｉ１－ｘＴａｘＮ１－ｙＣｙ）にて表した場合、０．３０≦ｘ≦０．９０、０＜ｙ≦０．６０をそれぞれ満足する。
ここで、ｘは、Ｔａ量がＴｉとＴａとの合量に対して占める平均含有割合を表し、ｙは、Ｃ量がＮとＣとの合量に対して占める平均含有割合を表す。ただし、ｘおよびｙはいずれも原子比である。
Ｔａの平均含有割合ｘは、０．３０より小さい場合には十分な格子ひずみが導入されず、またｘが０．９０よりも大きい場合には結晶組織中に六方晶形の結晶が形成され、十分な硬さを確保できないために、０．３０≦ｘ≦０．９０と規定した。
また、本発明に係る前記ＴｉＴａ複合炭窒化物層においては、耐溶着性向上元素であるＮと、硬度向上元素であるＣについて、それぞれの含有割合を調整し、Ｃの平均含有割合を０＜ｙ≦０．６０とすることにより、耐溶着性と硬度の両特性を備えた硬質被覆層を得ることができる。
また、上部層の平均層厚は、１．０μｍ未満では、長期にわたる耐摩耗性を発揮することができず、一方、１５．０μｍを超えると、欠損やチッピングが発生しやすくなるため、硬度および耐摩耗性の観点から優れた効果を発揮する、１．０～１５．０μｍと規定した。
upper layer (composite carbonitride layer);
(1) Component composition, average layer thickness The composite carbonitride according to the present invention comprises a TiTa composite carbonitride layer, and the TiTa composite carbonitride constituting the composite carbonitride layer has a composition formula When represented by (Ti 1-x Ta x N 1-y C y ), it satisfies 0.30≦x≦0.90 and 0<y≦0.60.
Here, x represents the average content ratio of Ta to the total amount of Ti and Ta, and y represents the average content ratio of C to the total amount of N and C. However, both x and y are atomic ratios.
When the average Ta content x is less than 0.30, sufficient lattice strain is not introduced, and when x is greater than 0.90, hexagonal crystals are formed in the crystal structure, 0.30 ≤ x ≤ 0.90, because a sufficient hardness cannot be ensured.
In addition, in the TiTa composite carbonitride layer according to the present invention, the content ratios of N, which is an element for improving adhesion resistance, and C, which is an element for improving hardness, are adjusted, and the average content ratio of C is adjusted to 0< By setting y≦0.60, a hard coating layer having both properties of adhesion resistance and hardness can be obtained.
If the average layer thickness of the upper layer is less than 1.0 μm, long-term wear resistance cannot be exhibited. It is specified to be 1.0 to 15.0 μm, which exhibits an excellent effect from the viewpoint of wear resistance.
（２）組成変動組織
本発明に係る前記複合炭窒化物（ＴｉＴａＮＣ）層は、Ｔａ含有割合、Ｔｉ含有割合、Ｃ含有割合およびＮ含有割合が、周期的に変化する組成変動組織、すなわち、ＴａがＴｉとＴａとの合量に対して占める含有割合、および、ＣがＮとＣとの合量に対して占める含有割合が同期して周期的に変化する組成変動組織を有するものである。
(2) Composition variation structure The composite carbonitride (TiTaNC) layer according to the present invention has a composition variation structure in which the Ta content, Ti content, C content, and N content periodically change, that is, Ta It has a compositional variation structure in which the content ratio of C to the total amount of Ti and Ta and the content ratio of C to the total amount of N and C change periodically in synchronization.
（２－１）組成変動組織を構成する結晶粒
前記組成変動組織を構成する結晶粒は、縦断面観察において、工具基体の法線に対して０～１０°の方向に存在しており、水平方向における平均粒子幅が２～１００ｎｍである柱状構造結晶により形成された組織である。
前記結晶粒が、縦断面観察において、工具基体の法線に対して１０°より大きい方向に存在している場合、合金鋼やステンレス鋼の切削加工時に被削材表面と硬質被覆層最表面とが接触する際に、柱状構造結晶粒が角度を持って被削材表面に接することにより、摩耗時の結晶粒の脱落単位が大きくなることでの異常摩耗の進行や、柱状構造結晶粒の塑性変形による組織の脱落が生じるため、前記組成変動組織を構成する結晶粒は、縦断面観察において、工具基体の法線に対して０～１０°の方向に存在するものとした。
また、前記結晶粒の水平方向における平均粒子幅については、水平方向における平均粒子幅が２～１００ｎｍと小さいため、転位運動の障害として作用する結晶粒界長が大きくなり、結晶粒界のすべりに対する抵抗が大きくなる結果、皮膜硬さが向上する。水平方向における平均粒子幅が１００ｎｍより大きい場合には、従来の表面被覆切削工具の硬質被覆層にあるように、上記の皮膜硬さ向上の効果が小さくなる。
なお、ここでいう柱状構造結晶により形成された組織とは、例えば、前記複合炭窒化物層の縦断面を観察した際に、個々の結晶粒について、層厚方向の結晶粒の高さ（長辺）にて、最も大きい値を最大粒子長さ（Ｌ）とし、層厚方向に垂直な方向の結晶粒の幅（短辺）にて、最も大きい値を最大粒子幅（Ｗ）としたとき、Ｌ／Ｗにて定義されるアスペクト比が、２．０以上である結晶粒が、前記の複合窒化物層の縦断面において占める面積割合が、５０％以上である組織をいう。
具体的な測定法としては、例えば、ＳＥＭ－ＥＢＳＤ法（走査型電子顕微鏡を用いた電子線後方散乱回折法）を用いることにより、測定することができる。
(2-1) Crystal Grains Constituting the Composition Variation Structure The crystal grains constituting the composition variation structure are present in a direction of 0 to 10° with respect to the normal line of the tool base and are horizontal when observed in a longitudinal section. It is a structure formed by columnar structure crystals with an average grain width in the direction of 2 to 100 nm.
When the crystal grains are present in a direction of more than 10° with respect to the normal to the tool substrate when observed in a longitudinal section, the surface of the work material and the outermost surface of the hard coating layer during cutting of alloy steel or stainless steel. When the two come into contact with each other, the columnar structure grains come into contact with the work material surface at an angle. Since the structure was detached due to deformation, the crystal grains constituting the composition-varied structure were assumed to be present in a direction of 0 to 10° with respect to the normal line of the tool base when observed in longitudinal section.
As for the average grain width in the horizontal direction of the crystal grains, since the average grain width in the horizontal direction is as small as 2 to 100 nm, the grain boundary length acting as an obstacle to dislocation movement becomes large, and the grain boundary slip is prevented. As a result of the increased resistance, the film hardness is improved. If the average grain width in the horizontal direction is larger than 100 nm, the effect of improving the hardness of the coating becomes small, as in the case of the hard coating layer of conventional surface-coated cutting tools.
The structure formed by the columnar structure crystals referred to here means, for example, the height of the crystal grains in the layer thickness direction (length side), the largest value is the maximum grain length (L), and the largest value of the crystal grain width (short side) in the direction perpendicular to the layer thickness direction is the maximum grain width (W). , and L/W, the crystal grains having an aspect ratio of 2.0 or more occupy 50% or more of the longitudinal section of the composite nitride layer.
As a specific measurement method, for example, the SEM-EBSD method (electron beam backscatter diffraction method using a scanning electron microscope) can be used for measurement.
（２－２）組成変動組織における各含有成分の最高含有点、最低含有点、含有割合等について
以下では、（ア）～（エ）にて、組成変動組織における各成分Ｔａ、Ｔｉ、ＣおよびＮにおける最高含有点、最高含有割合、最低含有点および最低含有割合の定義を示し、（オ）Ｔａ最高含有点およびＣ最高含有点の位置、および、それぞれの最高含有点の周期と最低含有点の周期とを同期させ、さらに、Ｔａ最高含有割合とＴａ最低含有割合の差を所定値以上、同じく、Ｃ最高含有割合とＣ最低含有割合の差を前記所定値以上の組成変動組織とすることにより、組織の立方晶化が進み、硬さの向上が図られること、（カ）隣接するＴａ最高含有点とＴａ最低含有点の平均間隔を所定範囲とすることにより、硬さ向上効果が発揮できること、また、（キ）Ｔａ最高含有点と、Ｔａ最高含有点から最も近い位置にあるＣ最高含有点との間隔の平均値を所定値以下とすることにより、硬さ向上効果が得られることについて説明する。
(2-2) Regarding the maximum content point, minimum content point, content ratio, etc. of each component in the composition variation structure The definitions of the maximum content point, maximum content ratio, minimum content point and minimum content ratio in N are shown, (e) the position of the Ta maximum content point and the C maximum content point, and the period and minimum content point of each of the maximum content points Furthermore, the difference between the maximum Ta content ratio and the minimum Ta content ratio is equal to or greater than a predetermined value, and similarly, the difference between the maximum C content ratio and the minimum C content ratio is equal to or greater than the predetermined value. (f) By setting the average distance between the adjacent Ta maximum content point and Ta minimum content point to a predetermined range, the effect of improving hardness is exhibited. (g) By setting the average value of the distance between the maximum Ta content point and the maximum C content point closest to the maximum Ta content point to a predetermined value or less, an effect of improving hardness can be obtained. will be explained.
（ア）Ｔａ最高含有点、Ｔａ最高含有割合（ｘｍａｘ）、Ｔａ最低含有点およびＴａ最低含有割合（ｘｍｉｎ）の定義；
前記組成変動組織において、Ｔａ含有割合は、例えば、Ｔａ最高含有割合－Ｔａ最低含有割合－Ｔａ最高含有割合－Ｔａ最低含有割合・・・というように所定の間隔を保ち、周期的な含有割合の変化を示す。
ここでいうＴａ最高含有割合、Ｔａ最低含有割合について説明すると、Ｔａ最高含有割合とは、各測定点におけるＴａ含有割合が、層全体の組成式（Ｔｉ１－ｘＴａｘＮ１－ｙＣｙ）におけるＴａ量がＴｉとＴａとの合量に対して占める平均含有割合ｘの値以上の連続した部分におけるＴａ含有割合の最大値をいう。連続してｘの値以上となる部分が複数ある場合は、それぞれの部分におけるＴａ含有割合の最大値をＴａ最高含有割合と定義し、それぞれの部分におけるＴａ含有割合が最大値をとる位置をそれぞれの部分におけるＴａ最高含有点と定義する。以後、Ｔａ最高含有割合についてはｘmaxと記すこともある。
同様に、Ｔａ最低含有割合とは、各測定点におけるＴａ含有割合が、層全体の組成式（Ｔｉ１－ｘＴａｘＮ１－ｙＣｙ）におけるＴａ量がＴｉとＴａとの合量に対して占める平均含有割合ｘの値以下となる連続した部分におけるＴａ含有割合の最小値をいう。連続してｘの値以下となる部分が複数ある場合は、それぞれの部分におけるＴａ含有割合の最小値をＴａ最低含有割合と定義し、それぞれの部分におけるＴａ含有割合が最小値をとる位置をそれぞれの部分におけるＴａ最低含有点と定義する。以後、Ｔａ最低含有割合についてはｘminと記すこともある。
この定義によれば、ｘの値近傍での周期的な変化が存在する場合、Ｔａ最高含有点とＴａ最低含有点が交互に出現する。
以下、各成分の平均含有割合の値以上の連続した部分における最大値をとる位置をそれぞれの部分における最高含有点といい、各成分の平均含有割合の値以下の連続した部分における最小値をとる位置をそれぞれの部分における最低含有点という。
(A) Definitions of the maximum Ta content point, maximum Ta content ratio (x max ), minimum Ta content point and minimum Ta content ratio (x min );
In the composition-varying structure, the Ta content ratio is maintained at predetermined intervals such as, for example, Ta maximum content ratio-Ta minimum content ratio-Ta maximum content ratio-Ta minimum content ratio, etc., and the content ratio is periodically changed. Show change.
The maximum Ta content ratio and the minimum Ta content ratio referred to here will be explained . ), the maximum value of the Ta content in a continuous portion equal to or greater than the average content x of the total amount of Ti and Ta. When there are a plurality of portions having a value of x or more continuously, the maximum value of the Ta content ratio in each portion is defined as the maximum Ta content ratio, and the positions at which the Ta content ratio in each portion takes the maximum value are respectively is defined as the highest Ta content point in the part of Hereafter, the maximum Ta content may be referred to as x max .
Similarly, the minimum Ta content ratio means that the Ta content ratio at each measurement point is equal to the total amount of Ti and Ta in the composition formula (Ti 1-x Ta x N 1-y C y ) of the entire layer. It means the minimum value of the Ta content ratio in a continuous portion that is equal to or less than the value of the average content ratio x. If there are a plurality of portions that are continuously equal to or less than the value of x, the minimum value of the Ta content in each portion is defined as the minimum Ta content, and the positions at which the Ta content in each portion takes the minimum value are respectively is defined as the lowest Ta content point in the portion of Hereinafter, the minimum Ta content may be referred to as x min .
According to this definition, when there is a periodic change around the value of x, the Ta maximum content point and the Ta minimum content point appear alternately.
Hereinafter, the position at which the maximum value in the continuous portion above the average content ratio of each component is taken is called the maximum content point in each portion, and the minimum value in the continuous portion below the average content ratio value of each component is taken. The position is called the lowest content point in each part.
（イ）Ｔｉ最高含有点、Ｔｉ最高含有割合αmax、Ｔｉ最低含有点、Ｔｉ最低含有割合αminの定義；
前記組成変動組織において、Ｔｉ量がＴａとＴｉとの合量に対して占める含有割合（以後、Ｔｉ含有割合とも記す）は、Ｔａ含有割合の周期的な組成変化の周期幅が最小となる方向に沿って、Ｔａ最高含有点では、Ｔｉ最低含有割合αmin（＝１－ｘmax）を示し、Ｔａ最低含有点では、Ｔｉ最高含有割合αmax（＝１－ｘmin）を示す。なお、αは原子比である。
すなわち、Ｔｉ含有割合は、前記Ｔａ含有割合の周期的な組成変化の周期幅が最小となる方向に沿って、同周期にて、Ｔｉ最低含有割合－Ｔｉ最高含有割合－Ｔｉ最低含有割合－Ｔｉ最高含有割合・・・という含有割合の変化を示す。ここでいう、Ｔｉ最高含有点、Ｔｉ最高含有割合、Ｔｉ最低含有点、Ｔｉ最低含有割合の定義は、前記ＴａをＴｉに置き換え同様の定義である。
(a) Definitions of maximum Ti content point, maximum Ti content rate α max , minimum Ti content point, and minimum Ti content rate α min ;
In the composition variation structure, the content ratio of the Ti content to the total amount of Ta and Ti (hereinafter also referred to as the Ti content ratio) is the direction in which the periodic width of the periodic composition change of the Ta content ratio is minimized. , the maximum Ta content point shows the minimum Ti content ratio α min (=1−x max ), and the minimum Ta content point shows the maximum Ti content ratio α max (=1−x min ). Note that α is an atomic ratio.
That is, the Ti content ratio is the minimum Ti content ratio−the maximum Ti content ratio−the minimum Ti content ratio−Ti The highest content rate ... shows the change in the content rate. The definitions of the highest Ti content point, the highest Ti content ratio, the lowest Ti content point, and the lowest Ti content ratio are the same as those in which the above Ta is replaced with Ti.
（ウ）Ｃ最高含有点、Ｃ最高含有割合（ｙmax）、Ｃ最低含有点、Ｃ最低含有割合（ｙmin）の定義；
前記組成変動組織において、Ｃ含有割合は、前記ＴｉとＴａの周期的な組成変化の周期幅が最小となる方向に沿って、Ｃ最高含有割合－Ｃ最低含有割合－Ｃ最高含有割合－Ｃ最低含有割合・・・というように所定の間隔を保ち、周期的な含有割合の変化を示す。
ここでいうＣ最高含有割合、Ｃ最低含有割合について説明すると、Ｃ最高含有割合とは、各測定点におけるＣ含有割合が、層全体の組成式（Ｔｉ１－ｘＴａｘＮ１－ｙＣｙ）におけるＮとＣとの合量に対してＣ量が占める平均含有割合ｙの値以上の連続した部分におけるＣ含有割合の最大値をいう。連続してｙの値以上となる部分が複数ある場合は、それぞれの部分におけるＣ含有割合の最大値をＣ最高含有割合と定義し、それぞれの部分におけるＣ含有割合が最大値をとる位置をそれぞれの部分におけるＣ最高含有点と定義する。以後、Ｃ最高含有割合についてはｙmaxと記すこともある。
同様に、Ｃ最低含有点とは、各測定点におけるＣ含有割合が、層全体の組成式（Ｔｉ１－ｘＴａｘＮ１－ｙＣｙ）におけるＣ量がＮとＣとの合量に対して占める平均含有割合ｙの値以下となる連続した部分におけるＣ含有割合の最小値をいう。連続してｙの値以下となる部分が複数ある場合は、それぞれの部分におけるＣ含有割合の最小値をＣ最低含有割合と定義し、それぞれの部分におけるＣ含有割合が最小値をとる位置をそれぞれの部分におけるＣ最低含有点と定義する。以後、Ｃ最低含有割合についてはｙminと記すこともある。
この定義によれば、ｙの値近傍での周期的な変化が存在する場合、最高含有点と最低含有点が交互に出現する。
(C) Definition of C maximum content point, C maximum content ratio (y max ), C minimum content point, C minimum content ratio (y min );
In the composition-varying structure, the C content ratio is, along the direction in which the period width of the periodic composition change of Ti and Ta is minimum, C maximum content ratio-C minimum content ratio-C maximum content ratio-C minimum Content rate .
The maximum C content ratio and the minimum C content ratio referred to here will be explained . ) is the maximum value of the C content ratio in a continuous portion equal to or higher than the value of the average content ratio y of the C content with respect to the total amount of N and C. If there are multiple parts that are continuously equal to or greater than the value of y, the maximum value of the C content ratio in each part is defined as the maximum C content ratio, and the positions where the C content ratio in each part takes the maximum value are respectively Defined as the C highest content point in the part of Hereinafter, the maximum C content ratio may be referred to as y max .
Similarly, the lowest C content point means that the C content ratio at each measurement point is equal to the total amount of N and C in the composition formula (Ti 1-x Ta x N 1-y C y ) of the entire layer. The minimum value of the C content ratio in a continuous portion that is equal to or less than the value of the average content ratio y. If there are multiple parts that are continuously equal to or less than the value of y, the minimum value of the C content ratio in each part is defined as the minimum C content ratio, and the positions where the C content ratio in each part takes the minimum value are respectively Defined as the C lowest content point in the part of Hereinafter, the minimum C content ratio may also be referred to as ymin .
According to this definition, when there is a periodic variation around the value of y, the highest and lowest content points alternate.
（エ）Ｎ最高含有点、Ｎ最高含有割合βmax、Ｎ最低含有点、Ｎ最低含有割合βminの定義；
前記組成変動組織において、Ｎ量が、ＮとＣとの合量に対して占める含有割合（以後、Ｎ含有割合とも記す）は、Ｃ含有割合の周期的な組成変化の周期幅が最小となる方向に沿って、Ｃ最高含有点では、Ｎ最低含有割合βmin（＝１－ｙmax）を示し、Ｃ最低含有点では、Ｎ最高含有割合βmax（＝１－ｙmin）示す。なお、βは原子比である。
すなわち、Ｎ含有割合は、前記Ｃ含有割合の周期的な組成変化の周期幅が最小となる方向に沿って、同周期にて、Ｎ最低含有割合－Ｎ最高含有割合－Ｎ最低含有割合－Ｎ最高含有割合・・・という含有割合の変化を示す。ここでいう、Ｎ最高含有点、Ｎ最高含有割合、Ｎ最低含有点、Ｎ最低含有割合の定義は、前記ＣをＮに置き換えたと同様の定義である。
(d) Definition of N maximum content point, N maximum content rate β max , N minimum content point, N minimum content rate β min ;
In the composition variation structure, the content ratio of the N content to the total amount of N and C (hereinafter also referred to as the N content ratio) is such that the period width of the periodic composition change of the C content ratio is the minimum. Along the direction, the C maximum content point shows the N minimum content ratio β min (=1−y max ), and the C minimum content point shows the N maximum content ratio β max (=1−y min ). Note that β is an atomic ratio.
That is, the N content ratio is the same period along the direction in which the periodic width of the periodic composition change of the C content ratio is minimum, N minimum content ratio - N maximum content ratio - N minimum content ratio - N The highest content rate ... shows the change in the content rate. The definitions of the N maximum content point, the N maximum content ratio, the N minimum content point, and the N minimum content ratio are the same definitions as when C is replaced with N above.
（オ）Ｔａ最高含有点およびＴａ最低含有点におけるＴａ含有割合差（ｘmax－ｘmin）ならびにＣ最高含有点およびＣ最低含有点におけるＣ含有割合差（ｙmax－ｙmin）；
Ｔａ最高含有点およびＣ最高含有点の位置、および、それぞれの最高含有点と最低含有点の周期は、後述する成膜方法において、同期させることができる。
さらに、Ｔａ最高含有割合ｘmaxとＴａ最低含有割合ｘminの差が０．０４以上、かつ、Ｃ最高含有割合ｙmaxとＣ最低含有割合ｙminの差が０．０４以上の組成変動組織とすることにより、硬さが向上する。
(e) Ta content ratio difference at the highest Ta content point and the lowest Ta content point (x max −x min ) and C content ratio difference at the highest C content point and the lowest C content point (y max −y min );
The positions of the Ta maximum content point and the C maximum content point and the periods of the respective maximum content point and minimum content point can be synchronized in the film formation method described later.
Furthermore, a composition variation structure in which the difference between the maximum Ta content x max and the minimum Ta content x min is 0.04 or more and the difference between the maximum C content y max and the minimum C content y min is 0.04 or more By doing so, the hardness is improved.
（カ）隣接するＴａ最高含有点とＴａ最低含有点の間隔（平均値）；
Ｔａ最高含有点とＴａ最低含有点の間隔については「複合炭窒化物層の縦断面観察において、周期的な組成変化の周期が最小になる方向で測定される平均間隔が２～２０ｎｍであること」が、硬さ向上のために必要である。
前記硬さ向上効果を発揮させるためには、平均間隔は小さい方が望ましく、２０ｎｍ以下であることが必要である。一方、平均間隔が２ｎｍ未満では、それぞれを明確に区別して形成することが困難となるため、所望の硬度が得られず、耐摩耗性を確保することができない。
(f) Distance between adjacent Ta maximum content point and Ta minimum content point (average value);
Regarding the interval between the highest Ta content point and the lowest Ta content point, the average interval measured in the direction in which the period of periodic composition change is minimized in the vertical cross-sectional observation of the composite carbonitride layer is 2 to 20 nm. ” is necessary for improving hardness.
In order to exhibit the effect of improving the hardness, the average spacing is preferably as small as 20 nm or less. On the other hand, if the average spacing is less than 2 nm, it becomes difficult to form each layer clearly distinguishable from each other, so the desired hardness cannot be obtained and wear resistance cannot be secured.
キ）Ｔａ最高含有点と、そのＴａ最高含有点から最も近い位置にあるＣ最高含有点との間隔の平均値；
前記硬さ向上効果を発揮させるためには、「Ｔａ最高含有点と、そのＴａ最高含有点から最も近い位置にあるＣ最高含有点との間隔の平均値」は、小さい方が好ましく、隣接するＴａ最高含有点とＴａ最低含有点の平均間隔の１／５以下であることが必要である。
g) Average value of the distance between the Ta maximum content point and the C maximum content point closest to the Ta maximum content point;
In order to exhibit the hardness improvement effect, "the average value of the interval between the Ta maximum content point and the C maximum content point closest to the Ta maximum content point" is preferably small, and adjacent It must be 1/5 or less of the average interval between the highest Ta content point and the lowest Ta content point.
（２－３）硬度
ＴｉＴａ複合炭窒化物層は、硬さが高く、すぐれた耐摩耗性を有するが、その平均層厚が１．０～１５．０μｍにて、かつナノインデンテーション押込硬さ（押込荷重２００ｍｇｆ）が４５００ｋｇｆ／ｍｍ２以上の場合、よりすぐれた効果を発揮することができる。
なお、ＴｉＴａ複合炭窒化物層の平均層厚は、走査型電子顕微鏡（倍率５０００倍）を用いて、工具基体に垂直な方向の断面の観察視野内の５点の層厚を測り、これらを平均して平均層厚を求めることができ、また、ナノインデンテーション硬さについては、ナノインデンテーション試験法（ＩＳＯ １４５７７）に基づき、前記ＴｉＴａ複合炭窒化物層の表面を研磨し、ダイヤモンド製のBerkovich圧子を用いて、押込荷重２００ｍｇｆで測定を行なった。
(2-3) Hardness The TiTa composite carbonitride layer has high hardness and excellent wear resistance. When (indentation load 200 mgf) is 4500 kgf/mm 2 or more, more excellent effects can be exhibited.
In addition, the average layer thickness of the TiTa composite carbonitride layer is measured using a scanning electron microscope (magnification of 5000 times), measuring the layer thickness of five points within the observation field of the cross section in the direction perpendicular to the tool base, and measuring these. The average layer thickness can be obtained by averaging, and the nanoindentation hardness can be measured by polishing the surface of the TiTa composite carbonitride layer according to the nanoindentation test method (ISO 14577). Measurement was performed with a Berkovich indenter with an indentation load of 200 mgf.
最上層；
本発明では、上部層（複合炭窒化物層）の上に、さらに最上層として酸化アルミニウム層を成膜することができる。
酸化アルミニウム層は、通常の化学蒸着法によって、０．５～５．０μｍの平均層厚を有するα型Ａｌ２Ｏ３層もしくはκ型Ａｌ２Ｏ３層を形成することとした。
上部層に対し、最上層として、α型Ａｌ２Ｏ３層もしくはκ型Ａｌ２Ｏ３層を形成することにより、さらに、硬質被覆層の高温硬さおよび耐熱性の向上を図ることができる。
かかる酸化アルミニウム層の平均層厚について、０．５μｍ未満では、耐摩耗性向上による寿命延長効果が少なく、また、その平均層厚が、５．０μｍを超えると、酸化アルミニウムの結晶粒が粗大化し易くなり、高温硬さ、高温強度の低下や、溶着チッピングや剥離等が発生するおそれがあるため、上記のとおり、その平均層厚は、０．５～５．０μｍとすることが望ましい。
top layer;
In the present invention, an aluminum oxide layer can be further deposited as the uppermost layer on the upper layer (composite carbonitride layer).
As the aluminum oxide layer, an α-type Al 2 O 3 layer or a κ-type Al 2 O 3 layer having an average layer thickness of 0.5 to 5.0 μm was formed by a conventional chemical vapor deposition method.
By forming an α-type Al 2 O 3 layer or a κ-type Al 2 O 3 layer as the uppermost layer on the upper layer, it is possible to further improve the high-temperature hardness and heat resistance of the hard coating layer.
If the average layer thickness of the aluminum oxide layer is less than 0.5 μm, the life extension effect due to the improved wear resistance is small, and if the average layer thickness exceeds 5.0 μm, the crystal grains of the aluminum oxide become coarse. As described above, the average layer thickness is desirably 0.5 to 5.0 μm.
硬質被覆層の成膜方法；
本発明に係る硬質被覆層は、下部層、上部層（ＴｉＴａ複合炭窒化物層）の順に、例えば、以下に示す成膜法を用いて形成することができる。
また、必要に応じ、上部層であるＴｉＴａ複合炭窒化物層の最上層として、酸化アルミニウム層を成膜することができる。
（１）下部層の成膜方法
硬質被覆層の下部層は、工具基体上に形成される、Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層および炭窒酸化物層のうちの１層または２層以上のＴｉ化合物層からなり、通常の化学蒸着法を用い、成膜する化合物層ごとに反応ガス組成、および、圧力、温度等の反応雰囲気を適正範囲に調整することにより、成膜することができる。（後述する表３等参照。）
A method for forming a hard coating layer;
The hard coating layer according to the present invention can be formed in the order of a lower layer and an upper layer (TiTa composite carbonitride layer) using, for example, the following film formation method.
Moreover, if necessary, an aluminum oxide layer can be formed as the uppermost layer of the TiTa composite carbonitride layer that is the upper layer.
(1) Formation method of lower layer The lower layer of the hard coating layer is formed on the tool substrate, among Ti carbide layer, nitride layer, carbonitride layer, carbonate layer and carbonitride layer By adjusting the reaction gas composition and the reaction atmosphere such as pressure and temperature to an appropriate range for each compound layer to be formed using a normal chemical vapor deposition method. , can be deposited. (See Table 3, etc., to be described later.)
（２）複合炭窒化物層（上部層；ＴｉＴａＮＣ層）の成膜方法
本発明において規定する成分組成を有し、特定の組成変動組織を有するＴｉＴａＮＣ層は、一例として、工具基体に対し、化学蒸着法を用いて、以下に示す条件にて成膜を行なうことにより、形成することができる。
すなわち、ＴｉＴａＮＣ層の成膜条件は、原料として、ＴｉＣｌ４ガス、ＴａＣｌ４ガス、ＨＣｌガス、ＣＨ４ガス、Ｎ２ガス、Ａｒガス、Ｈ２ガスを用い、成膜温度は、９００℃以上１０７０℃未満、圧力条件は、１５ｋＰａ以上４０ｋＰａ未満にて、ＣＶＤ装置にて成膜を行った。
(2) Method for depositing a composite carbonitride layer (upper layer; TiTaNC layer) A TiTaNC layer having a composition specified in the present invention and having a specific compositional variation structure is, for example, chemically applied to a tool substrate. It can be formed by forming a film under the following conditions using a vapor deposition method.
That is, the deposition conditions of the TiTaNC layer are as follows: TiCl4 gas, TaCl4 gas, HCl gas, CH4 gas, N2 gas, Ar gas, H2 gas are used as raw materials, and the deposition temperature is 900°C or higher and 1070°C. C. and a pressure condition of 15 kPa or more and less than 40 kPa, film formation was performed in a CVD apparatus.
［成膜条件］
１）反応ガス組成（容量％）：
ＴｉＣｌ４：０．５～２．５％、
ＴａＣｌ４：０．３～２．５％、
ＨＣｌ：０．１～０．５％、
ＣＨ４：０．５～５．０％、
Ｎ２：１５．０～５０．０％、
Ａｒ：１０．０～３０．０％
Ｈ２：残、
２）反応雰囲気温度：９００℃以上１０７０℃未満
反応雰囲気温度については、９００℃未満では、十分な成膜速度が得られず、ＴｉＴａＮＣ層の塩素含有量が多くなり易い傾向がある。一方１０７０℃以上では、超硬合金母材からＣ等の元素が皮膜中に拡散し、十分な付着強度が得られないことがある。よって、反応雰囲気温度については９００℃以上１０７０℃未満が好ましい。なお、より好ましくは１０００℃以上１０５０℃以下が望ましい。
３）反応雰囲気圧力：１５ｋＰａ以上４０ｋＰａ未満
１５ｋＰａ未満では十分な膜厚が得られず、４０ｋＰａ以上では、皮膜中にポアが含まれやすくなる。よって、反応雰囲気圧力については１５ｋＰａ以上４０ｋＰａ未満が好ましい。
[Deposition conditions]
1) Reaction gas composition (% by volume):
TiCl4 : 0.5-2.5%,
TaCl4 : 0.3-2.5%,
HCl: 0.1-0.5%,
CH4 : 0.5-5.0%,
N2 : 15.0 to 50.0%,
Ar: 10.0-30.0%
H 2 : remaining,
2) Reaction atmosphere temperature: 900° C. or more and less than 1070° C. If the reaction atmosphere temperature is less than 900° C., a sufficient film formation rate cannot be obtained and the chlorine content of the TiTaNC layer tends to increase. On the other hand, if the temperature is 1070° C. or higher, elements such as C diffuse from the cemented carbide base material into the coating, and sufficient adhesion strength may not be obtained. Therefore, the reaction atmosphere temperature is preferably 900°C or higher and lower than 1070°C. It should be noted that the temperature is more preferably 1000° C. or higher and 1050° C. or lower.
3) Reaction atmosphere pressure: 15 kPa or more and less than 40 kPa When less than 15 kPa, a sufficient film thickness cannot be obtained. Therefore, the reaction atmosphere pressure is preferably 15 kPa or more and less than 40 kPa.
（３）最上層の成膜方法
本発明被覆工具では、上部層である複合炭窒化物層（ＴｉＴａＮＣ層）の上に、例えば、通常の化学蒸着法を用い、最上層として、α型Ａｌ２Ｏ３層もしくはκ型Ａｌ２Ｏ３層を成膜することができる。（後述する表５等参照。）
(3) Method for forming the top layer In the coated tool of the present invention, on the composite carbonitride layer (TiTaNC layer) that is the upper layer, for example, using a normal chemical vapor deposition method, α-type Al 2 as the top layer An O 3 layer or a κ-type Al 2 O 3 layer can be deposited. (See Table 5, etc., which will be described later.)
本発明に係る表面被覆切削工具は、工具基体の表面に形成されている硬質被覆層が、ＴｉＴａ複合炭窒化物層を有し、前記ＴｉＴａ複合炭窒化物層が、超微細組織を備えた柱状構造であることにより、ＴｉＴａ複合炭窒化物層の硬度が向上するとともに、切削試験時の摩耗脱離単位が小さいことから、異常摩耗を抑制し、合金鋼、ステンレス鋼の高速切削加工に用いた場合に、耐摩耗性にすぐれた切削特性を示すとともに、さらには、異常摩耗による膜剥離を抑制するものである。 In the surface-coated cutting tool according to the present invention, the hard coating layer formed on the surface of the tool substrate has a TiTa composite carbonitride layer, and the TiTa composite carbonitride layer has a columnar shape with an ultrafine structure. Due to the structure, the hardness of the TiTa composite carbonitride layer is improved, and since the wear detachment unit during the cutting test is small, abnormal wear is suppressed, and it is used for high-speed cutting of alloy steel and stainless steel. In this case, it exhibits cutting properties with excellent wear resistance and suppresses film peeling due to abnormal wear.
つぎに、本発明の被覆工具を実施例により具体的に説明する。 EXAMPLES Next, the coated tool of the present invention will be specifically described with reference to examples.
原料粉末として、いずれも１～３μｍの平均粒径を有するＷＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＺｒＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ３Ｃ２粉末、ＴｉＮ粉末、およびＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を、表１に示される配合組成に配合し、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、１３７０～１４７０℃の範囲内の所定の温度に１時間保持の条件で真空焼結し、焼結後、ＩＳＯ規格ＣＮＭＧ１２０４０８のインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ～Ｃをそれぞれ製造した。 As raw material powders, WC powder, TiC powder, ZrC powder, TaC powder, NbC powder, Cr 3 C 2 powder, TiN powder, and Co powder, all having an average particle size of 1 to 3 μm, were prepared. , and blended in the formulation shown in Table 1, further adding wax and ball mill mixing in acetone for 24 hours, drying under reduced pressure, press molding into a green compact of a predetermined shape at a pressure of 98 MPa, and this green compact is vacuum sintered under the condition of holding at a predetermined temperature within the range of 1370 to 1470 ° C. for 1 hour in a vacuum of 5 Pa, and after sintering, a WC-based cemented carbide tool having an insert shape of ISO standard CNMG120408 Substrates A to C were prepared respectively.
また、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、ＺｒＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｍｏ2Ｃ粉末、ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末およびＮｉ粉末を用意し、これら原料粉末を、表２に示される配合組成に配合し、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：１５００℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、ＩＳＯ規格ＣＮＭＧ１２０４１２のインサート形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体Ｄ、Ｅを作製した。 As raw material powders, TiCN (TiC/TiN=50/50 by mass ratio) powder, ZrC powder, TaC powder, NbC powder, Mo 2 C powder, and WC powder, all having an average particle size of 0.5 to 2 μm. , Co powder and Ni powder are prepared, these raw material powders are blended in the formulation shown in Table 2, wet-mixed in a ball mill for 24 hours, dried, and then pressed into a compact at a pressure of 98 MPa, This compact was sintered in a nitrogen atmosphere of 1.3 kPa at a temperature of 1500° C. for 1 hour. E was made.
ついで、これらの工具基体Ａ～Ｅのそれぞれを、化学蒸着装置に装入し、ＴｉＴａ複合炭窒化物層を成膜することにより、本発明被覆工具１～１２をそれぞれ製造した。
（ａ）下部層は、表６に示される目標層厚にて、表３に示される形成条件にて、蒸着形成した。
（ｂ）次に、表４に基づいて、工具基体記号に示される表１もしくは表２の工具基体に対し、本発明成膜工程のＴｉＴａＮＣ層の形成記号の成膜条件により成膜を行い、得られた、本発明被覆工具１～１２に係る下部層（Ｔｉ化合物層）における目標合計平均層厚、上部層（ＴｉＴａＮＣ層）の平均組成、組成変動組織の工具基体の法線に対する傾斜角度（°）、組成変動組織の柱状構造の平均粒子幅、Ｔａ最高含有割合（平均値）、Ｔａ最低含有割合（平均値）、Ｃ最高含有割合（平均値）、Ｃ最低含有割合（平均値）、Ｔａ最高含有点とＴａ最低含有点の間隔（平均値）、Ｃ最高含有点とＣ最低含有点の間隔（平均値）、および、Ｔａ最高含有点と、そのＴａ最高含有点から最も近い位置にあるＣ最高含有点との間隔（平均値）、目標平均膜厚、押込荷重２００ｍｇｆにおけるナノインデンテーション硬さ値、および、最上層（酸化アルミニウム層）における目標平均層厚を表６に示す。
Then, each of these tool substrates A to E was placed in a chemical vapor deposition apparatus, and a TiTa composite carbonitride layer was formed thereon to produce coated tools 1 to 12 of the present invention, respectively.
(a) The lower layer was formed by vapor deposition under the formation conditions shown in Table 3 with the target layer thickness shown in Table 6.
(b) Next, based on Table 4, a film is formed on the tool substrate of Table 1 or Table 2 indicated by the tool substrate symbol under the film formation conditions of the TiTaNC layer formation symbol of the film deposition process of the present invention, The obtained target total average layer thickness of the lower layer (Ti compound layer), the average composition of the upper layer (TiTaNC layer), and the inclination angle of the composition variation structure with respect to the normal line of the tool substrate ( °), average grain width of the columnar structure of the composition variation structure, Ta maximum content ratio (average value), Ta minimum content ratio (average value), C maximum content ratio (average value), C minimum content ratio (average value), The distance between the Ta maximum content point and the Ta minimum content point (average value), the distance between the C maximum content point and the C minimum content point (average value), and the Ta maximum content point and the closest position from the Ta maximum content point Table 6 shows the distance (average value) from a certain C maximum content point, the target average film thickness, the nanoindentation hardness value at an indentation load of 200 mgf, and the target average layer thickness of the top layer (aluminum oxide layer).
また、比較の目的で、本発明被覆工具１～１２と同様の手順で比較例被覆工具１～８をそれぞれ製造した。すなわち、
（ａ）工具基体に表３に示される条件にて、表７に示される目標層厚の下部層を蒸着形成した。
（ｂ）次に、表４に基づいて、工具基体記号に示される表１もしくは表２の工具基体に対し、比較例成膜工程のＴｉＴａＮＣ層の形成記号の成膜条件により成膜を行い、得られた、比較例被覆工具１～８に係る下部層（Ｔｉ化合物層）における目標合計平均層厚、上部層（ＴｉＴａＮＣ層）の平均組成、組成変動組織の工具基体の法線に対する傾斜角度（°）、組成変動組織の柱状構造の平均粒子幅、Ｔａ最高含有割合（平均値）、Ｔａ最低含有割合（平均値）、Ｃ最高含有割合（平均値）、Ｃ最低含有割合（平均値）、Ｔａ最高含有点とＴａ最低含有点の間隔（平均値）、Ｃ最高含有点とＣ最低含有点の間隔（平均値）、および、Ｔａ最高含有点と、そのＴａ最高含有点から最も近い位置にあるＣ最高含有点との間隔（平均値）、目標平均膜厚、押込荷重２００ｍｇｆにおけるナノインデンテーション硬さ値、および、最上層（酸化アルミニウム層）における目標平均層厚を表７に示す。
For the purpose of comparison, comparative coated tools 1 to 8 were produced in the same manner as the coated tools 1 to 12 of the present invention. i.e.
(a) Under the conditions shown in Table 3, a lower layer having the target layer thickness shown in Table 7 was vapor-deposited on the tool substrate.
(b) Next, based on Table 4, a film is formed on the tool substrate in Table 1 or Table 2 indicated by the tool substrate symbol under the film formation conditions of the TiTaNC layer formation symbol in the comparative example film formation process, The obtained target total average layer thickness of the lower layer (Ti compound layer), the average composition of the upper layer (TiTaNC layer), and the inclination angle of the composition variation structure with respect to the normal line of the tool substrate ( °), average grain width of the columnar structure of the composition variation structure, Ta maximum content ratio (average value), Ta minimum content ratio (average value), C maximum content ratio (average value), C minimum content ratio (average value), The distance between the Ta maximum content point and the Ta minimum content point (average value), the distance between the C maximum content point and the C minimum content point (average value), and the Ta maximum content point and the closest position from the Ta maximum content point Table 7 shows the distance (average value) from a certain C maximum content point, the target average film thickness, the nanoindentation hardness value at an indentation load of 200 mgf, and the target average layer thickness of the top layer (aluminum oxide layer).
ここで、本発明被覆工具１～１２、および、比較例被覆工具１～８の分析方法について述べる。
膜厚の測定は、走査型電子顕微鏡（倍率５０００倍）を用いた。まず、刃先近傍のすくい面のうち、刃先から１００μｍ離れた位置において、工具基体に垂直な方向の断面が露出するように研磨を施した。次に刃先近傍のすくい面の刃先から１００μｍ離れた位置を含むように、５０００倍の視野でＴｉＴａＮＣ層を観察し、観察視野内の５点の層厚を測定し、平均値を平均層厚とした。
Here, analysis methods for the coated tools 1 to 12 of the present invention and the coated tools 1 to 8 of the comparative examples will be described.
A scanning electron microscope (magnification: 5000) was used to measure the film thickness. First, at a
次に、収束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いて工具基体表面に垂直な縦断面を切り出し、ＴｉＴａＮＣ層の組成を、その層厚方向に沿って、工具基体表面に平行な方向の幅が１０μｍであり、硬質被覆層の厚み領域が全て含まれるように設定された視野について、高角散乱環状暗視野走査透過顕微鏡法（ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ）およびエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）を用いて１．０μｍ×１．０μｍの視野（ＴｉＴａＮＣ層の膜厚が１．０μｍ以下の場合は、ＴｉＴａＮＣ層の膜厚×１．０μｍの視野）にて異なる５箇所にて組成分析を行い、その平均値からＴｉＴａＮＣ層全体の平均組成を求めた。 Next, a longitudinal section perpendicular to the surface of the tool substrate is cut out using a focused ion beam (FIB), and the composition of the TiTaNC layer is measured along the layer thickness direction so that the width in the direction parallel to the surface of the tool substrate is 10 μm. , 1.0 μm using high-angle scattering annular dark-field scanning transmission microscopy (HAADF-STEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) for a field of view set to include the entire thickness region of the hardcoat layer. Composition analysis was performed at five different points in a field of view of × 1.0 µm (when the film thickness of the TiTaNC layer was 1.0 µm or less, the field of view was the film thickness of the TiTaNC layer × 1.0 µm). The average composition of the entire layer was determined.
また、ＴｉＴａＮＣ層の平均粒子幅については、上部層であるＴｉＴａＮＣ層の縦断面について、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）にて、２００ｎｍ×２００ｎｍの視野で観察を行い、観察像の横方向に線分を引いた際に、結晶粒界をまたいだ回数で線分長（２００ｎｍ）を除したときの値を粒子幅とし、５視野での平均値をＴｉＴａＮＣ層の平均粒子幅とした。 In addition, regarding the average grain width of the TiTaNC layer, the longitudinal section of the TiTaNC layer, which is the upper layer, was observed with a transmission electron microscope (TEM) in a field of view of 200 nm × 200 nm. , the value obtained by dividing the line segment length (200 nm) by the number of times the crystal grain boundary was crossed was taken as the grain width, and the average value in 5 fields of view was taken as the average grain width of the TiTaNC layer.
次に、ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭを用いて組成変動組織の工具基体の法線に対する傾斜角度を求めた。具体的には、１．０μｍ×１．０μｍの視野（ＴｉＴａＮＣ層の膜厚が１．０μｍ以下の場合は、ＴｉＴａＮＣ層の膜厚×１．０μｍの視野）において、ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像を異なる５視野で観察し、工具基体の法線に対する組成変動組織の傾斜角度の平均値として求めた。
ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像では構成元素の原子量差に起因するコントラストが強いため、ここで観察された、「ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像で周期的な明暗がある組織」は「ＴｉとＴａとの周期的な組成変化を有する組織」であることを推定することができる。
次いで、前記周期的な明暗のある組織について、ＥＤＳによるライン分析法を用いて、ＴｉとＴａとの周期的な組成変化を有するものであるか確認を行った。
図２に本発明被覆工具１のＴｉＴａＮＣ層の断面ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像を示す。
Next, using HAADF-STEM, the angle of inclination of the composition variation structure with respect to the normal line of the tool substrate was determined. Specifically, in a field of view of 1.0 μm × 1.0 μm (when the film thickness of the TiTaNC layer is 1.0 μm or less, a field of view of the film thickness of the TiTaNC layer × 1.0 μm), five different HAADF-STEM images were taken. Observed in the field of view, it was obtained as the average value of the inclination angle of the composition-varied structure with respect to the normal line of the tool substrate.
Since the HAADF-STEM image has a strong contrast due to the difference in the atomic weight of the constituent elements, the "structure with periodic light and dark in the HAADF-STEM image" observed here is due to the "periodic composition change between Ti and Ta. It can be estimated that it is an organization that has
Next, it was confirmed whether or not the structure with periodic bright and dark had periodic composition changes of Ti and Ta using a line analysis method by EDS.
FIG. 2 shows a cross-sectional HAADF-STEM image of the TiTaNC layer of the coated tool 1 of the present invention.
図２のＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像において、積層構造の組成変動組織について、ＥＤＳライン分析を行った。
初めに、ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像から「ＴｉとＴａとの周期的な組成変化の周期が最小となる方向(すなわち、ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像における明暗のコントラストの周期幅が最小となる方向)」を求めた。図２では本発明被覆工具１のＴｉＴａ複合炭窒化物層の断面ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像において、ＴｉとＴａとの組成変化の周期が最小となる方向（例えば、結晶粒内に形成される組成変動組織が、積層構造の組織であった場合には、積層組織を構成する層の層厚が最小となる方向をいう。）を求めた結果を示す。
なお、前述の通り、ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像では構成元素の原子量差に起因するコントラストが強く、図２のＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像において、明るい部分ほどＴａが多く含有されている。なお、ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭによって粒界が明瞭に観察できない場合は、同じ個所について、電子回折パターンによる結晶方位マッピングを１０ｎｍ間隔で測定し、各々の測定点同士の結晶方位関係を解析し隣接する測定点（以下、「ピクセル」ともいう）間での方位差を測定し、５度以上の方位差がある場合、そこを粒界と定義する。そして、粒界で囲まれた領域を１つの結晶粒と定義する。(ただし、隣接するピクセルすべてと５度以上の方位差がある単独に存在するピクセルは結晶粒とせず、２ピクセル以上が連結しているものを結晶粒として取り扱った。)
そして、前記「ＴｉとＴａとの周期的な組成変化の周期幅が最小となる方向」にＥＤＳによるライン分析を行うことにより、Ｔａ最高含有割合、Ｔａ最低含有割合、Ｃ最高含有割合、Ｃ最低含有割合、Ｔａ最高含有点とＴａ最低含有点の間隔、Ｃ最高含有点とＣ最低含有点の間隔、および、前記Ｔａ最高含有点と、そのＴａ最高含有点から最も近い位置にあるＣ最高含有点との間隔を測定した。
これらは、いずれも５個の積層構造の組成変動組織に対してＥＤＳライン分析を行い、各々の積層構造の組成変動組織における測定値（各積層構造毎に１０点）の平均値として求めたものである。
表６および表７に測定および算出したそれぞれの値を示す。
In the HAADF-STEM image of FIG. 2, EDS line analysis was performed on the composition variation structure of the laminated structure.
First, from the HAADF-STEM image, ``the direction in which the period of the periodic composition change between Ti and Ta is minimized (that is, the direction in which the periodic width of the contrast between light and dark in the HAADF-STEM image is minimized)'' was determined. . In FIG. 2, in the cross-sectional HAADF-STEM image of the TiTa composite carbonitride layer of the coated tool 1 of the present invention, the direction in which the period of composition change between Ti and Ta is the smallest (for example, the composition variation structure formed in the crystal grain is the direction in which the layer thickness of the layers constituting the laminated structure is the smallest in the case of the structure of the laminated structure).
As described above, the HAADF-STEM image has a strong contrast due to the difference in atomic weight of the constituent elements, and in the HAADF-STEM image of FIG. 2, the brighter the portion, the more Ta is contained. In addition, when the grain boundary cannot be clearly observed by HAADF-STEM, for the same place, the crystal orientation mapping by electron diffraction pattern is measured at intervals of 10 nm, and the crystal orientation relationship between each measurement point is analyzed. The orientation difference between (hereinafter also referred to as "pixels") is measured, and if there is an orientation difference of 5 degrees or more, it is defined as a grain boundary. A region surrounded by grain boundaries is defined as one crystal grain. (However, a single pixel with an orientation difference of 5 degrees or more from all adjacent pixels was not treated as a crystal grain, but a pixel where two or more pixels were connected was treated as a crystal grain.)
Then, by performing a line analysis by EDS in the "direction in which the periodic width of the periodic composition change between Ti and Ta is the smallest", the maximum Ta content, the minimum Ta content, the maximum C content, and the minimum C The content ratio, the distance between the Ta maximum content point and the Ta minimum content point, the distance between the C maximum content point and the C minimum content point, and the above Ta maximum content point and the C maximum content at the position closest to the Ta maximum content point The distance between the points was measured.
These are obtained by performing EDS line analysis on the composition variation structure of each of the five laminated structures, and obtaining the average value of the measured values (10 points for each laminated structure) in the composition variation structure of each laminated structure. is.
Tables 6 and 7 show the respective measured and calculated values.
つぎに、前記各種の被覆工具を工具鋼製バイト先端部に固定治具にてクランプした状態で、本発明被覆工具１～８および比較例工具１～５について、以下に示す、合金鋼の高速連続切削試験を実施し、本発明被覆工具９～１２および比較例工具６～８については、以下に示す、ステンレス鋼の高速連続切削試験を実施し、切刃の逃げ面摩耗幅を測定するとともに溶着の発生等の有無について観察を行い、結果を表８、表９に示す。 Next, with each of the various coated tools clamped at the tip of the tool steel cutting tool with a fixing jig, the coated tools 1 to 8 of the present invention and the comparative tools 1 to 5 were subjected to the following high-speed tests of alloy steel. A continuous cutting test was performed, and the coated tools 9 to 12 of the present invention and the comparative tools 6 to 8 were subjected to the following high-speed continuous cutting test of stainless steel to measure the flank wear width of the cutting edge. The presence or absence of welding or the like was observed, and the results are shown in Tables 8 and 9.
≪切削条件Ａ≫
切削試験：合金鋼丸棒の湿式高速切削加工試験（ターニング）
被削材： ＪＩＳ・ＳＣＭ４２０
切削速度：１８０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２．０ｍｍ、
一刃送り量：０．４ｍｍ／刃、
切削時間：５．０分、
≪切削条件Ｂ≫
切削試験：ステンレス鋼丸棒の湿式高速切削加工試験（ターニング）
被削材： ＪＩＳ・ＳＵＳ３１６
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．５ｍｍ、
一刃送り量：０．３ｍｍ／刃、
切削時間：５．０分
<<Cutting conditions A>>
Cutting test: Wet high-speed cutting test of alloy steel round bar (turning)
Work Material: JIS/SCM420
Cutting speed: 180m/min,
Notch: 2.0 mm,
Single blade feed amount: 0.4 mm/blade,
Cutting time: 5.0 minutes,
<<Cutting conditions B>>
Cutting test: Wet high-speed cutting test of stainless steel round bar (turning)
Work Material: JIS/SUS316
Cutting speed: 200m/min,
Notch: 1.5 mm,
Single blade feed amount: 0.3 mm/blade,
Cutting time: 5.0 minutes
表８および表９の切削加工試験結果からも明らかなように、本発明被覆工具１～１２では、表６において示すＴａ含有割合およびＣ含有割合が周期的に変化し、Ｔａ最高含有点とＣ最高含有点の周期および位置がそれぞれ同期した積層構造の組成変動組織を含有したＴｉＴａ複合炭窒化物層とすることにより、本発明被覆工具１～８については、合金鋼の高速切削加工において、本発明被覆工具９～１２については、析出硬化型ステンレス鋼の高速切削加工において、剥離、チッピングの発生はなく、逃げ面最大摩耗幅も小さく、すぐれた耐溶着性、耐塑性変形性および耐異常損傷性を発揮する。
これに対し、比較例被覆工具１～８では、硬質被覆層として含まれる複合炭窒化物層が、所望の平均組成を満たしていない、あるいは、所望の平均組成を満たしている場合であっても、Ｔａ含有割合およびＣ含有割合が周期的に変化する組成変動組織を有していないことにより、合金鋼の高速切削加工、あるいは、析出硬化型ステンレス鋼の高速切削加工において、所望の特性を発揮することができず、摩耗の進展、溶着の発生、チッピングの発生等により、短時間で寿命に至るものであった。
As is clear from the cutting test results in Tables 8 and 9, in the coated tools 1 to 12 of the present invention, the Ta content rate and the C content rate shown in Table 6 changed periodically, and the Ta maximum content point and the C content rate changed periodically. By forming a TiTa composite carbonitride layer containing a composition variation structure of a laminated structure in which the period and position of the highest content point are synchronized, respectively, the coated tools 1 to 8 of the present invention can be used in high-speed cutting of alloy steel. Inventive coated tools 9 to 12 do not cause peeling or chipping in high-speed cutting of precipitation hardening stainless steel, have a small maximum flank wear width, and have excellent welding resistance, plastic deformation resistance, and abnormal damage resistance. demonstrate sexuality.
On the other hand, in the coated tools 1 to 8 of Comparative Examples, the composite carbonitride layer included as the hard coating layer did not satisfy the desired average composition, or even if it satisfied the desired average composition. , Ta content ratio and C content ratio do not have a compositional fluctuation structure in which the content ratio changes periodically, so that the desired characteristics are exhibited in high-speed cutting of alloy steel or high-speed cutting of precipitation hardening stainless steel. However, due to progress of wear, welding, chipping, etc., the service life was reached in a short time.
前述のとおり、本発明の被覆工具は、硬質被覆層として含まれる複合炭窒化物層において、各成分の含有割合が周期的に変化する、所望の組成変動組織を有することにより、合金鋼の高速切削加工、および、析出硬化型ステンレス鋼の高速切削加工において、すぐれた耐摩耗性、耐剥離性を発揮するものであるから、切削装置の高性能化並びに切削加工の省力化および省エネ化、さらに、低コスト化に十分満足するものである。
As described above, in the coated tool of the present invention, the composite carbonitride layer included as the hard coating layer has a desired compositional variation structure in which the content ratio of each component periodically changes, so that the alloy steel can be processed at high speed. In cutting and high-speed cutting of precipitation hardened stainless steel, it exhibits excellent wear resistance and peeling resistance. , is sufficiently satisfactory for cost reduction.
Claims (3)
（ａ）前記硬質被覆層は、前記工具基体の表面側から下部層および上部層を有してなり、
（ｂ）前記下部層は、Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層および炭窒酸化物層のうちの１層または２層以上からなり、かつ、０．１～３．０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層を有し、
（ｃ）前記上部層は、１．０～１５．０μｍの平均層厚を有する立方晶Ｔｉ１－ｘＴａｘＮ１－ｙＣｙ（但し、ｘおよびｙはいずれも原子比であって、ｘは、Ｔａ量がＴｉとＴａとの合量に対して占める平均含有割合を表し、０．３０≦ｘ≦０．９０であり、ｙは、Ｃ量がＮとＣとの合量に対して占める平均含有割合を表し、０＜ｙ≦０．６０である。）からなる層を有し、
（ｄ）前記Ｔｉ１－ｘＴａｘＮ１－ｙＣｙ層は、Ｔａ量がＴｉとＴａとの合量に対して占める含有割合、および、Ｃ量がＮとＣとの合量に対して占める含有割合が周期的に変化する組成変動組織を有し、
（ｄ－１）縦断面観察において、前記組成変動組織が工具基体の法線に対して０～１０°の方向に存在しており、また、前記組成変動組織は平均粒子幅が２～１００ｎｍの柱状構造組織であり、
（ｄ－２）前記組成変動組織における前記Ｔａ量が前記ＴｉとＴａとの合量に対して占める含有割合について、最高含有割合ｘｍａｘを示すＴａ最高含有点と最低含有割合ｘｍｉｎを示すＴａ最低含有点とが繰り返され、前記繰り返される隣接するＴａ最高含有点とＴａ最低含有点の間隔の平均値である平均間隔が２～２０ｎｍであり、前記Ｔａ最高含有点の最高含有割合ｘｍａｘと前記Ｔａ最低含有点の最低含有割合ｘｍｉｎとの差Δｘの絶対値の平均値が０．０４以上であり、
（ｄ－３）前記組成変動組織におけるＣ量が前記ＮとＣとの合量に対して占める含有割合について、Ｃ量の最高含有割合ｙｍａｘを示すＣ最高含有点とＣ量の最低含有割合ｙｍｉｎを示すＣ最低含有点とが繰り返され、前記繰り返される隣接するＣ最高含有点とＣ最低含有点の間隔の平均値である平均間隔が２～２０ｎｍであり、前記Ｃ最高含有点の最高含有割合ｙｍａｘと前記Ｃ最低含有点の最低含有割合ｙｍｉｎとの差Δｙの絶対値の平均値が０．０４以上であり、
（ｄ－４）前記組成変動組織におけるＴａ量が前記ＴｉとＴａとの合量に対して占める含有割合について、最高含有割合ｘｍａｘを示すＴａ最高含有点と最低含有割合ｘｍｉｎを示すＴａ最低含有点とのそれぞれの周期および位置と、Ｃ量が前記ＮとＣとの合量に対して占める含有割合について、最高含有割合ｙｍａｘを示すＣ最高含有点と、最低含有割合ｙｍｉｎを示すＣ最低含有点とのそれぞれの周期および位置とはそれぞれに対応して同期しており、前記それぞれに対応して同期するＴａ最高含有点と、そのＴａ最高含有点から最も近い位置にあるＣ最高含有点との間隔の平均値が、前記Ｔａ最高含有点とその隣接するＴａ最低含有点との平均間隔の１／５以下であること、
を特徴とする表面被覆切削工具。 A surface-coated cutting tool in which a hard coating layer is formed on the surface of a tool substrate made of a tungsten carbide-based cemented carbide or a titanium carbonitride-based cermet,
(a) the hard coating layer has a lower layer and an upper layer from the surface side of the tool substrate;
(b) the lower layer is composed of one or more layers selected from a Ti carbide layer, a nitride layer, a carbonitride layer, a carbonate layer and a carbonitride layer; having a Ti compound layer with a total average layer thickness of .0 μm,
(c) the upper layer is cubic Ti 1-x Ta x N 1-y C y having an average layer thickness of 1.0 to 15.0 μm, where x and y are both atomic ratios; x represents the average content ratio of the Ta amount to the total amount of Ti and Ta, and is 0.30 ≤ x ≤ 0.90, and y is the amount of C to the total amount of N and C represents the average content ratio of the
(d) In the Ti 1-x Ta x N 1-y Cy layer, the content ratio of Ta to the total amount of Ti and Ta and the amount of C to the total amount of N and C are having a composition-varying structure in which the content ratio occupied by the
(d-1) Observation of the longitudinal section shows that the composition variation structure exists in a direction of 0 to 10° with respect to the normal line of the tool substrate, and the composition variation structure has an average grain width of 2 to 100 nm. is a columnar structure organization,
(d-2) Regarding the content ratio of the Ta amount to the total amount of Ti and Ta in the composition-varied structure, the maximum Ta content point indicating the maximum content ratio x max and Ta indicating the minimum content ratio x min the minimum content point is repeated, the average interval that is the average value of the distance between the Ta maximum content point and the Ta minimum content point that are adjacent to each other is 2 to 20 nm, and the maximum content ratio x max of the Ta maximum content point and The average value of the absolute values of the difference Δx between the Ta minimum content point and the minimum content ratio x min is 0.04 or more,
(d-3) With regard to the content ratio of the C content to the total amount of N and C in the composition-variable structure, the maximum C content point and the minimum content ratio of the C content, which indicate the maximum content ratio ymax of the C content. The C lowest content point indicating y min is repeated, and the average interval, which is the average value of the interval between the repeated adjacent C highest content point and the C lowest content point, is 2 to 20 nm, and the highest of the C highest content points The average value of the absolute values of the difference Δy between the content ratio y max and the minimum content ratio y min of the C minimum content point is 0.04 or more,
(d-4) Regarding the content ratio of the Ta amount to the total amount of Ti and Ta in the composition-varied structure, a Ta maximum content point indicating the maximum content rate x max and a Ta minimum indicating the minimum content rate x min With respect to each cycle and position of the content point and the content ratio of the amount of C to the total amount of N and C, the C maximum content point indicating the maximum content ratio y max and the minimum content ratio y min are shown. Each period and position with the C lowest content point are synchronized with each other, and the Ta highest content point synchronized with each corresponding and the C highest content point closest to the Ta highest content point The average value of the distance between the Ta content points is 1/5 or less of the average distance between the Ta maximum content point and its adjacent Ta minimum content point,
A surface-coated cutting tool characterized by:
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