JP2004306246A - Tool for cutting surface covering - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、優れた耐チッピング性および耐摩耗性を有する硬質被覆層を表面に被着形成した表面被覆切削工具に関し、特に金属の断続切削等の大きな衝撃が切刃にかかるような切削に際しても、優れた耐欠損性および切削特性を有する表面被覆切削工具に関する。 The present invention relates to a surface-coated cutting tool in which a hard coating layer having excellent chipping resistance and wear resistance is formed on the surface thereof, and in particular, even in cutting where a large impact such as intermittent cutting of metal is applied to the cutting blade. The present invention relates to a surface-coated cutting tool having excellent fracture resistance and cutting characteristics.
従来より、金属の切削加工に広く用いられている切削工具は、超硬合金やサーメット、セラミックス等の母材の表面に、TiC層、TiN層、Al2O3層およびTiCN層等の硬質被覆層を単層または複数層被着形成した表面被覆切削工具が多用されている。 Conventionally, cutting tools widely used for metal cutting are hard coatings such as a TiC layer, a TiN layer, an Al 2 O 3 layer, and a TiCN layer on the surface of a base material such as cemented carbide, cermet, or ceramic. A surface-coated cutting tool in which a single layer or a plurality of layers is formed is often used.
一方、最近の切削加工の高能率化に従って金属の重断続切削等の大きな衝撃が切刃にかかるような切削においては、従来の工具では硬質被覆層が大きな衝撃に耐えきれず、すくい面においてチッピングや硬質被覆層の剥離が発生しやすく、これが引き金となって切刃の欠損や異常摩耗の発生等の突発的な工具損傷により工具寿命の長寿命化ができないという問題があった。 On the other hand, in cutting where a large impact such as heavy interrupted cutting of metal is applied to the cutting edge in accordance with the recent improvement in cutting efficiency, the hard coating layer cannot withstand the large impact with conventional tools, and chipping is performed on the rake face. And the hard coating layer is easily peeled off, which causes a problem that the tool life cannot be extended due to sudden tool damage such as chipping of the cutting edge or abnormal wear.
上記硬質被覆層として、特許文献1には、縦長成長結晶を有するTiCN層を粒状のTiN層等で分割することにより層間剥離を抑制することが記載され、工具の耐欠損性を高めることができることが記載されている。
しかしながら、上記特許文献1に記載されたTiCN層の構成によっても、特にAl2O3層とTiCN層の層界面付近で硬質被覆層の剥離が発生しやすいという問題を解消できずに、金属の重断続切削等の大きな衝撃がかかるような切削においては依然としてTiCN層とAl2O3層との界面にてチッピングや硬質被覆層の剥離が発生していた。また、この硬質被覆層のチッピングや硬質被覆層の剥離を防止する目的で硬質被覆層の膜厚を薄くすると早期に硬質被覆層が消滅して摩耗の進行が早くなり、やはり工具寿命の長寿命化ができなかった。 However, even with the structure of the TiCN layer described in the above-mentioned Patent Document 1, the problem that the hard coating layer easily peels off in the vicinity of the interface between the Al 2 O 3 layer and the TiCN layer cannot be solved. In cutting that requires a large impact such as heavy interrupted cutting, chipping and peeling of the hard coating layer still occurred at the interface between the TiCN layer and the Al 2 O 3 layer. If the thickness of the hard coating layer is reduced for the purpose of preventing chipping of the hard coating layer or peeling of the hard coating layer, the hard coating layer disappears earlier and the wear progresses faster, which also increases the tool life. It was not possible.
さらに、TiCN層をAl2O3層との密着性のみを考慮した形態とすると、母材との密着性が損なわれてTiCN層自体から剥離してしまい、やはり工具寿命には限界があった。 Furthermore, if the TiCN layer is configured in consideration of the adhesiveness with the Al 2 O 3 layer only, the adhesiveness with the base material is impaired and the TiCN layer itself is peeled off, and the tool life is limited. .
従って、本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、特に金属の断続切削等の工具切刃に強い衝撃がかかるような過酷な切削条件においても、硬質被覆層でのAl2O3層とTiCN層の層界面付近でチッピングや硬質被覆層の剥離が発生することなく硬質被覆層の密着性を高めることができるとともに、優れた耐欠損性および耐摩耗性を有する長寿命の切削工具を提供することにある。 Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and the object thereof is to provide a hard coating layer even under severe cutting conditions in which a strong impact is applied to a tool cutting edge such as intermittent cutting of metal. The adhesion of the hard coating layer can be improved without causing chipping or peeling of the hard coating layer near the interface between the Al 2 O 3 layer and the TiCN layer, and has excellent fracture resistance and wear resistance. It is to provide a long-life cutting tool.
本発明者は、上記課題に対し、母材表面にTiCN層とAl2O3層を順に設けた硬質被覆層を具備する切削工具の耐摩耗性を損なわずに耐欠損性を高める方法について検討した結果、前記表面被覆切削工具のTiCN層を母材に対して垂直な方向に成長した筋状TiCN結晶からなるとともに、前記TiCN層のAl2O3層側の平均結晶幅を母材側の平均結晶幅より大きくすることで前記母材、前記TiCN層および前記Al2O3層間の層間密着性を向上させることができる結果、特にねずみ鋳鉄(FC材)やダクタイル鋳鉄(FCD材)のような高硬度黒鉛粒子が分散した鋳鉄等の金属の重断続切削等のような工具切刃に強い衝撃がかかる過酷な切削条件においても、母材、TiCN層およびAl2O3層の層界面付近のチッピングや層剥離が発生することなくたとえAl2O3層を耐摩耗性向上に必要な厚い膜厚とした場合でも硬質被覆層の強固な密着性を維持できることから、優れた耐摩耗性および耐欠損性を有する切削工具が得られることを知見した。 The present inventor has studied a method for increasing the fracture resistance without impairing the wear resistance of a cutting tool having a hard coating layer in which a TiCN layer and an Al 2 O 3 layer are sequentially provided on the surface of the base material. As a result, the TiCN layer of the surface-coated cutting tool is composed of streak TiCN crystals grown in a direction perpendicular to the base material, and the average crystal width on the Al 2 O 3 layer side of the TiCN layer is determined on the base material side. By making it larger than the average crystal width, the interlayer adhesion between the base material, the TiCN layer and the Al 2 O 3 layer can be improved. As a result, particularly in the case of gray cast iron (FC material) and ductile cast iron (FCD material). Near the interface of the base material, TiCN layer, and Al 2 O 3 layer even under severe cutting conditions where a strong impact is applied to the tool cutting edge, such as heavy interrupted cutting of metals such as cast iron in which high-hardness graphite particles are dispersed No Even the Al 2 O 3 layer from being able to maintain a strong adhesion of the hard coating layer even when the large thickness required for improving wear resistance, excellent wear resistance and without ping or delamination occurs It has been found that a cutting tool having a chipping property can be obtained.
すなわち本発明の表面被覆切削工具は、硬質合金からなる母材の表面に、少なくともTiCN層とAl2O3層とを順に被着形成した硬質被覆層を具備する表面被覆切削工具において、前記TiCN層が、前記母材に対して垂直な方向に成長した筋状TiCN結晶からなるとともに、該筋状TiCN結晶のAl2O3層側の平均結晶幅が前記母材側の平均結晶幅より大きいことを特徴とする表面被覆切削工具である。 That is, the surface-coated cutting tool of the present invention is a surface-coated cutting tool comprising a hard coating layer in which at least a TiCN layer and an Al 2 O 3 layer are sequentially formed on the surface of a base material made of a hard alloy. The layer is made of streaked TiCN crystals grown in a direction perpendicular to the base material, and the average crystal width of the streaked TiCN crystals on the Al 2 O 3 layer side is larger than the average crystal width on the base material side. This is a surface-coated cutting tool.
また、前記筋状TiCN結晶層の前記Al2O3層側の平均結晶幅が0.5〜1.0μmであることが望ましい。 Moreover, it is desirable that the average crystal width of the streaky TiCN crystal layer on the Al 2 O 3 layer side is 0.5 to 1.0 μm.
さらに、前記筋状TiCN結晶層の母材側の平均結晶幅が0.1〜0.7μmであることが望ましい。 Furthermore, it is desirable that the average crystal width of the streaked TiCN crystal layer on the base material side is 0.1 to 0.7 μm.
また、前記TiCN層を前記筋状TiCN結晶の平均結晶幅が前記Al2O3層側で大きくなる2層以上の多層とすることが望ましい。 Further, it is desirable that the TiCN layer is a multilayer of two or more layers in which the average crystal width of the streak TiCN crystal is increased on the Al 2 O 3 layer side.
さらに、前記多層TiCN層中の層間にTiN、TiCN、TiC、TiCNO、TiCO、TiNOの群から選ばれる少なくとも1層を介装することが望ましい。 Furthermore, it is desirable that at least one layer selected from the group of TiN, TiCN, TiC, TiCNO, TiCO, and TiNO is interposed between the layers in the multilayer TiCN layer.
また、前記Al2O3層がα型結晶構造を有することが望ましい。 The Al 2 O 3 layer preferably has an α-type crystal structure.
本発明の表面被覆切削工具によれば、TiCN層を母材表面に垂直に成長している筋状TiCN層からなり、かつ該筋状TiCN層のAl2O3層側の平均結晶幅を母材側の平均結晶幅より広くすることによって、特に金属の重断続切削等のような工具切刃に強い衝撃がかかるような過酷な切削条件においても母材、TiCN層およびAl2O3層との層界面で剥離が発生することなく硬質被覆層と母材との強固な層間密着性を維持できることから優れた耐摩耗性および耐欠損性を有する切削工具が得られる。 According to the surface-coated cutting tool of the present invention, the TiCN layer is composed of a streaked TiCN layer growing perpendicularly to the surface of the base material, and the average crystal width of the streaked TiCN layer on the Al 2 O 3 layer side is determined as the base. By making it wider than the average crystal width on the material side, the base material, the TiCN layer and the Al 2 O 3 layer can be used even under severe cutting conditions such as a heavy interrupted cutting of a metal, especially when severe impact is applied to the tool cutting edge. Since a strong interlayer adhesion between the hard coating layer and the base material can be maintained without causing separation at the layer interface, a cutting tool having excellent wear resistance and fracture resistance can be obtained.
本発明の表面被覆切削工具の一例について硬質被覆層を含む破断面の走査型電子顕微鏡(SEM)写真である図1およびその模式図である図2を基に説明する。 An example of the surface-coated cutting tool of the present invention will be described with reference to FIG. 1 which is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a fractured surface including a hard coating layer and FIG. 2 which is a schematic diagram thereof.
図1によれば、表面被覆切削工具(以下、単に工具と略す。)1は、炭化タングステン(WC)と、所望により周期律表第4a、5a、6a族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の群から選ばれる少なくとも1種からなる硬質相をコバルト(Co)および/またはニッケル(Ni)の鉄属金属から成る結合相にて結合させた超硬合金または炭化チタン(TiC)や炭窒化チタン(TiCN)を主体として周期律表第4a、5a、6a族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の群から選ばれる少なくとも1種からなる硬質相をコバルト(Co)および/またはニッケル(Ni)の鉄属金属から成る結合相にて結合させたサーメット等の硬質合金からなる母材2の表面に硬質被覆層3を被着形成したものである。
According to FIG. 1, a surface-coated cutting tool (hereinafter simply referred to as a tool) 1 includes tungsten carbide (WC) and, optionally, carbides, nitrides, and carbonitrides of
本発明によれば、工具1に成膜される硬質被覆層3の構成として、少なくとも母材2の表面に垂直に成長する筋状をなす筋状TiCN結晶8からなるTiCN層(以下筋状TiCN層と称する)4とAl2O3層6とを連続して順に被着形成した多層構造とすることで、優れた耐摩耗性および耐欠損性を発揮し、長寿命の工具1を得ることができる。
According to the present invention, the
すなわち、Al2O3層6を形成しないと、工具の耐摩耗性および被削材との耐溶着性が低下し、また、Al2O3層6の直下に筋状TiCN層4を形成しないと硬質被覆層3の耐欠損性が低下する。
That is, if the Al 2 O 3 layer 6 is not formed, the wear resistance of the tool and the welding resistance to the work material are lowered, and the
ここで、Al2O3層の直下に位置する筋状TiCN層4の筋状TiCN結晶8を全体的に微細化して平均結晶幅wを小さくすると、耐摩耗性が向上するとともに、筋状TiCN層4と母材2との層間密着性が増し、筋状TiCN層4の剥離を抑えることができるが、筋状TiCN層4の靭性が低下する傾向にあると共に母材2と筋状TiCN層4とAl2O3層6との層間密着性が悪くなってしまい、Al2O3層6が筋状TiCN層4から剥離しやすくなり、異常摩耗や切刃の欠損が発生してしまう恐れがある。
Here, when the
一方、筋状TiCN層4の筋状TiCN結晶8を粗粒化して平均結晶幅wを大きくすると、Al2O3層6と筋状TiCN層4との層間密着性を改善することができ、Al2O3層6の剥離を防ぐことができるが、母材2と筋状TiCN層4との層間密着性が悪くなってしまい、筋状TiCN層4が母材2から剥離しやすくなり、やはり異常摩耗や切刃の欠損が発生してしまう。
On the other hand, when the
そこで、本発明の工具1では、図1および図2に示すように筋状TiCN層4のAl2O3層6側、(具体的には筋状TiCN層4のAl2O3層6との界面から母材2へ垂直に向かって0.5μmの位置(h1および線A))における平均結晶幅w1が、筋状TiCN層4の母材2側、(具体的には筋状TiCN層4の母材2との界面から界面に垂直な方向に向かって1μmの位置(核生成によって結晶幅が小さい領域を越えた高さh2および線B))の位置における筋状TiCN層4の平均結晶幅w2よりも大きいことを特徴とするものである。そうすることによって、母材2、筋状TiCN層4およびAl2O3層6の層間密着性を共に高めることができ、特に鋳鉄の重断続切削等の切刃に強い衝撃がかかるような過酷な切削条件においても、母材2、筋状TiCN層4およびAl2O3層6の層界面付近のチッピングや膜剥離の発生を抑制することができ、母材2から硬質被覆層3にわたって強固な層間密着性を維持できるため、優れた耐摩耗性および耐欠損性を保持し、膜剥離を抑えて長寿命な工具1が得られる。
Therefore, in the tool 1 of the present invention, as shown in FIG. 1 and FIG. 2, the Al 2 O 3 layer 6 side of the streak TiCN layer 4 (specifically, the Al 2 O 3 layer 6 of the
ここで、筋状TiCN層4と母材2との界面からAl2O3層6に向かって1μmの高さ位置(線B)における平均結晶幅w1を0.1〜0.7μmとすることが、母材2との密着性、工具1の耐摩耗性および耐欠損性を向上させ、工具寿命を長寿命化できる点で望ましい。
Here, the average crystal width w 1 at a height position (line B) of 1 μm from the interface between the
さらに、筋状TiCN層4のAl2O3層6との界面から母材に向かって0.5μmの高さ位置(線A)における平均結晶幅w2を0.5〜1.0μmとすることが、Al2O3層と筋状TiCN層4の層間密着性を向上させ、膜剥離による耐摩耗性の劣化を防ぐ点で望ましい。
Furthermore, the average crystal width w 2 at a height position (line A) of 0.5 μm from the interface between the
なお、本発明の筋状TiCN層4は、筋状TiCN層4の上部(Al2O3層6)に向かうにつれて連続的に平均結晶幅wが広がっていく扇形をなす結晶から構成されていてもよいが、図1および図2に示すように、筋状TiCN層4を平均結晶幅wがそれぞれ違う2層以上(筋状TiCN層4a、筋状TiCN層4b)の複層で構成された多層の筋状TiCN層4とすることが、平均結晶幅wが大きいTiCN層4aが衝突を段階的に受け止めるクッションの効果を発揮して筋状TiCN層4全体としての耐欠損性をさらに向上でき、Al2O3層6および母材2との層間密着性をさらに向上することができる点、および筋状TiCN層4の平均結晶幅等の制御の点で望ましい。なお、図1、図2では、筋状TiCN層4を平均結晶幅wが異なる2層に形成しているが本発明はこれに限定されるものではなく、3層以上の多層であってもよい。また、筋状TiCN層4が多層構造からなる場合、各層における膜厚は2〜10μmであることが望ましい。ここで、最上層の筋状TiCN層4aと最下層の筋状TiCN層4bとの膜厚の比率を1:9〜3:7とすることにより、耐欠損性を損なわずに母材2、筋状TiCN層4およびAl2O3層の層間密着性を高めることができる点で望ましい。さらに、筋状TiCN層4を多層構造とした際の筋状TiCN層4の総膜厚は8〜12μmであることが望ましい。
The
また、Al2O3層6の膜厚は、3〜8μmであることが耐摩耗性、特に鋳鉄に対する耐摩耗性および耐溶着性を維持しつつ、膜剥離を防止して耐欠損性を高めることができる点で望ましい。 Further, the film thickness of the Al 2 O 3 layer 6 is 3 to 8 μm, and while maintaining the wear resistance, particularly the wear resistance and welding resistance to cast iron, the film peeling is prevented and the fracture resistance is increased. It is desirable in that it can.
ここで、筋状TiCN層4を多層構造とした場合の筋状TiCN層4aと筋状TiCN層4bとの層間にTiN、TiCN、TiC、TiCNO、TiCO、TiNOの群から選ばれた少なくとも1層の中間層7を有することが、母材成分の拡散を防ぎ、硬質被覆層3の耐摩耗性の低下を防ぐことができるとともに、切削による衝撃を緩和することができるため、特に強い衝撃のかかる切削においての耐欠損性が向上できるため望ましい。また、中間層7の総膜厚は、0.1〜1μmであることが耐欠損性を向上させることができる点で望ましい。
Here, at least one layer selected from the group of TiN, TiCN, TiC, TiCNO, TiCO, and TiNO is provided between the streaked
また、硬質被覆層3の表層9としてTiNを形成することによって、工具1が金色を呈するため、工具1を使用したときに変色して使用済みかどうかの判別がつきやすく、また、摩耗の進行を容易に確認できるため望ましい。
In addition, since TiN is formed as the surface layer 9 of the
なお、本発明に使用されるAl2O3層6としては、結晶構造がα型であることが望ましい。従来ではα型結晶構造をもつAl2O3は優れた耐摩耗性を持つが、核生成を行う際の粒径が大きいため、筋状TiCN層4との接触面積が小さくなり、付着力が弱くなってしまい、膜剥離を起こしやすいという問題があった。しかし、本発明の構成にすることでAl2O3層と筋状TiCN層4との接触面積を大きくすることができるため、Al2O3層6をα型結晶構造としても十分な付着力を得ることができる。よって、α型結晶構造のAl2O3の持つ優れた耐摩耗性をAl2O3層の付着力を低下させることなく得ることができるため、工具寿命のより長い工具1を得ることができる。なお、Al2O3層6をα型結晶構造とする場合には、筋状TiCN層4とAl2O3層6との間に0.2μm以下のTiCO層、TiNO層またはTiCNO層のいずれかを介装することが安定してα型結晶構造を成長させることができる点で望ましい。
Note that the Al 2 O 3 layer 6 used in the present invention preferably has an α-type crystal structure. Conventionally, Al 2 O 3 having an α-type crystal structure has excellent wear resistance. However, since the particle size at the time of nucleation is large, the contact area with the
(製造方法)
また、上述した表面被覆切削工具を製造するには、まず、上述した硬質合金を焼成によって形成しうる金属炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物等の無機物粉末に、金属粉末、カーボン粉末等を適宜添加、混合し、プレス成形、鋳込成形、押出成形、冷間静水圧プレス成形等の公知の成形方法によって所定の工具形状に成形した後、真空中または非酸化性雰囲気中にて焼成することによって上述した硬質合金からなる母材2を作製する。
(Production method)
In order to manufacture the above-mentioned surface-coated cutting tool, first, an inorganic powder such as a metal carbide, nitride, carbonitride, oxide, etc. that can form the above-mentioned hard alloy by firing, metal powder, carbon powder, etc. Are added and mixed as appropriate, and then molded into a predetermined tool shape by a known molding method such as press molding, cast molding, extrusion molding, or cold isostatic pressing, and then fired in a vacuum or non-oxidizing atmosphere. Thus, the
次に、上記母材2の表面に例えば化学気相蒸着法によって硬質被覆層3を成膜する。筋状TiCN層4の成膜条件は、例えば、反応ガス組成として、体積%でTiCl4ガスを0.1〜10体積%、N2ガスを0〜60体積%、CH4ガスを0〜0.1体積%、CH3CNガスを0.1〜3体積%、残りがH2ガスからなる混合ガスを調整して反応チャンバ内に導入し、チャンバ内を800〜1100℃、5〜85kPaにて成膜する。
Next, the
ここで、本発明では、母材2側での成膜に使用する反応ガス中のCH3CNの割合よりもAl2O3層6側での成膜に使用する反応ガス中のCH3CNの割合を増やすことによって、筋状TiCN層4中の母材2側の平均粒子幅w2よりもAl2O3層6側の平均粒子幅w1を大きくすることができる。例えば、母材側でのCH3CNの割合を1.1体積%のときにAl2O3層6側のCH3CNの割合を2.2体積%とする。また、反応ガス中のCH3CNの割合を成膜するにつれて段階的または連続的に増加させてもよい。
In the present invention, CH 3 CN in the reaction gas used for film formation in CH 3 CN Al 2 O 3 layer 6 side than the proportion of the reaction gas used for film formation in the
ここで、上記成膜条件のうち、反応ガス中のCH3CNガスの割合が0.1体積%より少ないと筋状TiCN層4を筋状TiCN結晶に成長させることができず、逆に反応ガス中のCH3CNガスの割合が3体積%を超えると筋状TiCN層4の筋状TiCN結晶8の平均結晶幅wを制御することができない。
Here, if the proportion of the CH 3 CN gas in the reaction gas is less than 0.1% by volume among the above film formation conditions, the
なお、反応ガス中のCH3CNの割合に代えて、成膜温度をAl2O3層6側の筋状TiCN層4の成膜時において高めるといった方法によっても筋状TiCN層4の筋状TiCN結晶の平均結晶幅を変えることが可能である。
In addition, instead of the proportion of CH 3 CN in the reaction gas, the streaks of the streaked
また、本発明によれば、引き続き、Al2O3層6を成膜する。Al2O3層6の成膜方法としては、AlCl3ガスを3〜20体積%、HClガスを0.5〜3.5体積%、CO2ガスを0.01〜5.0体積%、H2Sガスを0〜0.01体積%、残りがH2ガスからなる混合ガスを用い、900〜1100℃、5〜10kPaとすることが望ましい。 In addition, according to the present invention, the Al 2 O 3 layer 6 is continuously formed. As a method for forming the Al 2 O 3 layer 6, AlCl 3 gas is 3 to 20% by volume, HCl gas is 0.5 to 3.5% by volume, CO 2 gas is 0.01 to 5.0% by volume, It is desirable to use a mixed gas composed of 0 to 0.01% by volume of H 2 S gas and the remaining H 2 gas, and 900 to 1100 ° C. and 5 to 10 kPa.
なお、筋状TiCN層4を多層構造とする際に筋状TiCN層4aと筋状TiCN層4bの間に、中間層7を成膜する場合、例えば中間層7としてTiN層を成膜するには、反応ガス組成としてTiCl4ガスを0.1〜10体積%、N2ガスを0〜60体積%、残りがH2ガスからなる混合ガスを順次調整して反応チャンバ内に導入し、チャンバ内を800〜1100℃、5〜85kPaとすればよい。
When forming the
また、工具1に表層9を成膜する場合、例えば表層9としてTiN層を成膜するには、反応ガス組成としてTiCl4ガスを0.1〜10体積%、N2ガスを0〜60体積%、残りがH2ガスからなる混合ガスを順次調整して反応チャンバ内に導入し、チャンバ内を800〜1100℃、5〜85kPaとすればよい。 When the surface layer 9 is formed on the tool 1, for example, in order to form a TiN layer as the surface layer 9, the reactive gas composition is 0.1 to 10% by volume of TiCl 4 gas and 0 to 60% of N 2 gas. %, The remaining mixed gas consisting of H 2 gas is sequentially adjusted and introduced into the reaction chamber, and the inside of the chamber may be set to 800 to 1100 ° C. and 5 to 85 kPa.
さらに、Al2O3層6をα型結晶構造とする場合、筋状TiCN層を成膜後、TiCl4ガスを0.1〜3体積%、CH4ガスを0.1〜10体積%、CO2ガスを0.01〜5体積%、N2ガスを0〜60体積%、残りがH2ガスからなる混合ガスを順次調整して反応チャンバ内に導入し、チャンバ内を800〜1100℃、5〜85kPaとすればよい。 Further, when the Al 2 O 3 layer 6 has an α-type crystal structure, after the formation of the streaky TiCN layer, 0.1 to 3% by volume of TiCl 4 gas, 0.1 to 10% by volume of CH 4 gas, A mixed gas composed of 0.01 to 5% by volume of CO 2 gas, 0 to 60% by volume of N 2 gas, and the remaining H 2 gas is sequentially adjusted and introduced into the reaction chamber, and the inside of the chamber is 800 to 1100 ° C. 5 to 85 kPa.
(実施例1)
平均粒径1.5μmの炭化タングステン(WC)粉末、平均粒径1.2μmの金属コバルト(Co)粉末および平均粒径2.0μmの周期律表第4a、5a、6a族金属の無機化合物粉末を添加、混合して、プレス成形により切削工具形状(CNMA120412)に成形した後、脱バインダ処理を施し、さらに、1000℃以上を3℃/分の速度で昇温して、0.01Paの真空中、1500℃で1時間焼成して超硬合金を作製した。
(Example 1)
Tungsten carbide (WC) powder having an average particle size of 1.5 μm, metallic cobalt (Co) powder having an average particle size of 1.2 μm, and inorganic compound powders of
そして、上記超硬合金に対して、CVD法により表1に示す条件で各種の硬質被覆層を形成して表2に示す膜構成からなる試料No.1〜9の表面被覆切削工具を作製した。なお、筋状TiCN層の平均結晶幅の測定は、図1に示すような工具の硬質被覆層を含む任意破断面5ヵ所における線Aおよび線B上を横切る粒界数を測定し、筋状TiCN結晶の結晶幅に換算した値の5ヶ所の平均値である。なお、α−Al2O3層を成膜する際には、Al2O3層を成膜する前にTiCNO層を表1の条件にて0.1μmの膜厚で成膜している。 Then, various hard coating layers were formed on the cemented carbide by the CVD method under the conditions shown in Table 1 to prepare surface-coated cutting tools of sample Nos. 1 to 9 having the film configurations shown in Table 2. . The average crystal width of the streak TiCN layer is measured by measuring the number of grain boundaries crossing the lines A and B at five arbitrary fractured surfaces including the hard coating layer of the tool as shown in FIG. It is the average value of five places of the value converted into the crystal width of the TiCN crystal. When forming the α-Al 2 O 3 layer, the TiCNO layer is formed to a thickness of 0.1 μm under the conditions shown in Table 1 before forming the Al 2 O 3 layer.
また、全ての試料においてAl2O3層の表面に表層として表1の条件にてTiN層を膜厚1μmで成膜したが、表2への記載は省略した。
そして、この切削工具を用いて下記の条件によりダクタイル鋳鉄の切削を25分間行い、切削工具の切刃の観察を行うとともにフランク摩耗量および先端摩耗量を測定した。さらに、溝付き鋼材により断続試験および膜剥離試験を行い、断続試験においては欠損したときの衝撃回数を比較した。また、断続試験において衝撃回数が1000回に達した時の切刃の状態を顕微鏡にて確認して硬質被覆層の剥離状況を確認した。結果は表3に示した。 Then, using this cutting tool, the ductile cast iron was cut for 25 minutes under the following conditions, the cutting edge of the cutting tool was observed, and the flank wear amount and the tip wear amount were measured. Furthermore, an intermittent test and a film peeling test were performed on the grooved steel material, and the number of impacts when the chip was lost was compared in the intermittent test. Further, in the intermittent test, the state of the cutting edge when the number of impacts reached 1000 was confirmed with a microscope to confirm the peeling state of the hard coating layer. The results are shown in Table 3.
(摩耗試験)
被削材 :ダクタイル鋳鉄(FCD450)
工具形状:CNMA120412
切削速度:350m/分
送り速度:0.4mm/rev
切り込み:2mm
その他 :水溶性切削液使用
(断続試験)
被削材 :炭素鋼(S45C)
工具形状:CNMA120412
切削速度:200m/分
送り速度:0.3〜0.5mm/rev
切り込み:2mm
その他 :水溶性切削液使用
Work material: Ductile cast iron (FCD450)
Tool shape: CNMA120204
Cutting speed: 350 m / min Feeding speed: 0.4 mm / rev
Cutting depth: 2mm
Other: Use of water-soluble cutting fluid (intermittent test)
Work material: Carbon steel (S45C)
Tool shape: CNMA120204
Cutting speed: 200 m / min Feeding speed: 0.3 to 0.5 mm / rev
Cutting depth: 2mm
Other: Uses water-soluble cutting fluid
表2、3より、粒状結晶からなるTiCN層を成膜した試料No.9では、耐欠損性が著しく低下して早期に欠損が発生した。また、この欠損に起因する摩耗の進行も早いものであった。 From Tables 2 and 3, sample No. 1 in which a TiCN layer made of granular crystals was formed. In No. 9, the chipping resistance was remarkably lowered and defects were generated at an early stage. In addition, the wear due to this defect progressed quickly.
また、単層TiCN層からなる試料No.8では、切刃部においてTiCN層とAl2O3層との間で層剥離が発生して切削性能が低下した。 Sample No. 1 consisting of a single TiCN layer was also used. In No. 8, delamination occurred between the TiCN layer and the Al 2 O 3 layer at the cutting edge, and the cutting performance deteriorated.
また、層を同じ条件で2層以上の複層成膜し、そのTiCN層における筋状TiCN結晶のAl2O3層側の平均結晶幅と母材側の平均結晶幅とを同じとした試料No.6、7では、切刃部の硬質被覆層のうち筋状TiCN層と母材、または筋状TiCN層とAl2O3層との界面で層剥離が発生して耐欠損性が低下し、剥離が起きた場所から異常摩耗が進行して摩耗量も大きくなった。 Further, a sample in which two or more layers are formed under the same conditions, and the average crystal width on the Al 2 O 3 layer side and the average crystal width on the base material side of the streaky TiCN crystal in the TiCN layer are the same. No. 6 and 7, delamination occurs at the interface between the streaked TiCN layer and the base material, or the streaked TiCN layer and the Al 2 O 3 layer in the hard coating layer of the cutting edge portion, and the fracture resistance decreases. Abnormal wear progressed from the place where peeling occurred, and the amount of wear increased.
これに対して、本発明に従い、硬質被覆層を、筋状TiCN層のAl2O3層側の平均粒子幅を母材側の平均粒子幅よりも大きくした試料No.1〜5では、いずれも硬質被覆層の剥離が発生せず耐欠損性および耐摩耗性とも優れた切削性能を有するものであった。 On the other hand, in accordance with the present invention, the hard coating layer was prepared using sample No. 1 in which the average particle width on the Al 2 O 3 layer side of the streak TiCN layer was larger than the average particle width on the base material side. In Nos. 1 to 5, peeling of the hard coating layer did not occur, and both the chipping resistance and wear resistance were excellent.
(実施例2)
実施例1の表1のTiCN(c)の成膜条件に対して混合ガス中のCH3CNの割合を初期1.1体積%から成膜終了時2.2体積%となるように連続的に増加させた条件とする以外はTiCN1(c)と同じ条件にて試料No.9と同じ膜構成の硬質被覆層を成膜した切削工具を作製した。
(Example 2)
With respect to the TiCN (c) film formation conditions in Table 1 of Example 1, the ratio of CH 3 CN in the mixed gas was continuously changed from 1.1% by volume to 2.2% by volume at the end of film formation. A cutting tool was produced in which a hard coating layer having the same film configuration as that of Sample No. 9 was formed under the same conditions as TiCN1 (c) except that the conditions were increased.
また、筋状TiCN層における筋状TiCN結晶のAl2O3層側の平均結晶幅は1.0μm、母材側の平均結晶幅は0.3μmであった。 Further, the average crystal width on the Al 2 O 3 layer side of the streak TiCN crystal in the streak TiCN layer was 1.0 μm, and the average crystal width on the base material side was 0.3 μm.
作製した切削工具を実施例1と同様に評価した結果、耐摩耗性試験ではフランク摩耗量0.22mm、先端摩耗量0.21mmであった。次に、耐欠損性試験では、衝撃回数3200回で欠損した。また、耐欠損性試験において切刃の硬質被覆層の剥離は見られなかった。 The manufactured cutting tool was evaluated in the same manner as in Example 1. As a result, in the wear resistance test, the flank wear amount was 0.22 mm and the tip wear amount was 0.21 mm. Next, in the chipping resistance test, the chip was chipped after 3200 impacts. Moreover, peeling of the hard coating layer of the cutting edge was not seen in the fracture resistance test.
1: 表面被覆切削工具
2: 母材
3: 硬質被覆層
4: 筋状TiCN層
4a:Al2O3層側の筋状TiCN層
4b:母材側の筋状TiCN層
6: Al2O3層
7: 中間層
8: 筋状粒子
A: Al2O3層と筋状TiCN層との界面より母材に向かって0.5μmの位置を示す線
B: 母材と筋状TiCN層との界面よりAl2O3層に向かって1μmの位置を示す線
w1: 筋状TiCN層のAl2O3層側の平均結晶幅
w2: 筋状TiCN層の母材側の平均結晶幅
h1: 筋状TiCN層のAl2O3層側の結晶幅を測定する高さ位置
h2: 筋状TiCN層の母材側の平均結晶幅を測定する高さ位置
1: Surface coated cutting tool 2: Base material 3: Hard coating layer 4:
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