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JP2022138563A - Surface-coated machining tool - Google Patents

Surface-coated machining tool Download PDF

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JP2022138563A
JP2022138563A JP2021038509A JP2021038509A JP2022138563A JP 2022138563 A JP2022138563 A JP 2022138563A JP 2021038509 A JP2021038509 A JP 2021038509A JP 2021038509 A JP2021038509 A JP 2021038509A JP 2022138563 A JP2022138563 A JP 2022138563A
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JP
Japan
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layer
tool
residual stress
coated
avg
Prior art date
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Pending
Application number
JP2021038509A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
翔太 浅利
Shota Asari
大樹 中村
Daiki Nakamura
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Materials Corp
Original Assignee
Mitsubishi Materials Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Materials Corp filed Critical Mitsubishi Materials Corp
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  • Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

To provide a surface-coated machining tool which is excellent in wear resistance, exerts high defect resistance and is suitable for milling in particular.SOLUTION: The surface-coated machining tool is provided which comprises, on a surface of a tool substrate made of tungsten carbide- based cemented carbide alloy, a lower layer having an average layer thickness of 0.6-21.0 μm and made of Ti nitride or carbonitride and an upper layer having an average layer thickness of 0.5-20.0 μm and including a complex nitride layer made of Ai and Ti having a Nacl type face-centered cubic crystal structure or a complex carbonitride layer, wherein when residual stress of the tungsten carbide-based cemented carbide alloy on a flank face of a cutting blade of the tool substrate is defined as S1 and residual stress of the tool substrate on a rake face of the cutting blade is defined as S2: α)S1<S2, β)S1≤-200 MPa, γ)an absolute value of a difference between S1 and S2 is larger than 250.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、連続高速切削加工に加え、断続切削加工においても、硬質被覆層がすぐれた耐欠損性と耐摩耗性とを備えることにより、すぐれた切削性能を発揮する表面被覆切削工具(以下、単に「被覆工具」ということがある)に関するものである。 The present invention provides a surface-coated cutting tool (hereinafter referred to as (sometimes simply referred to as a "coated tool").

ステンレス鋼や溶断表面が残存する鋼材の切削加工において、特に、CVD法によりAlTiNを被覆した切削工具においては、その皮膜硬さや耐酸化特性により、連続高速切削領域において、高い耐摩耗性を発揮することが知られている。
一方、被削材の靭性が高いステンレス鋼や、切り込み量が変動する溶断面の加工のような不安定加工、あるいは、加工能率を重視した高い切り込み量が求められる荒加工においては、その高い皮膜硬さのため、粒子の脱落が顕著に発生し、工具の欠損を伴う異常損傷が進行することで、本来の性能を発揮することができないという問題を有していた。
In the cutting of stainless steel and steel materials with residual fused surfaces, in particular, cutting tools coated with AlTiN by the CVD method exhibit high wear resistance in continuous high-speed cutting due to the hardness and oxidation resistance of the coating. It is known.
On the other hand, in unstable machining such as stainless steel with high toughness of the work material, welding surface machining where the depth of cut fluctuates, or rough machining that requires a high depth of cut with an emphasis on machining efficiency, a high film thickness is required. Due to the hardness, there is a problem that the particles fall off remarkably, and abnormal damage accompanied by chipping of the tool progresses, so that the original performance cannot be exhibited.

これに対して、例えば、特許文献1では、基材表面に化学蒸着法により成膜された硬質被覆層が、TiおよびAlの複合窒化物(TiAlN)層または複合炭窒化物(TiAlCN)からなり、少なくとも90体積%の面心立方構造を有し、X線回折を行った際に、(111)面における配向性指数TC(111)が最大であり、その値は、少なくとも1.5以上であり、前記複合窒化物層または複合炭窒化物層の残留応力値が、0MPa以下、-5000MPa以上の残留圧縮状態であるときに、工具としての耐亀裂性および耐摩耗性に改善がみられるとされている。
なお、(111)面の配向性指数TC(111)の導出にあたっては、Ti、Alの複合炭窒化物の(111)、(200)、(220)および(311)の各結晶面に対するX線回折ピーク強度の測定値を用いている。
On the other hand, for example, in Patent Document 1, the hard coating layer formed on the substrate surface by chemical vapor deposition is composed of a composite nitride (TiAlN) layer of Ti and Al or a composite carbonitride (TiAlCN). , has a face-centered cubic structure of at least 90% by volume, and when subjected to X-ray diffraction, the orientation index TC (111) in the (111) plane is the maximum, and the value is at least 1.5 or more There is, and when the residual stress value of the composite nitride layer or composite carbonitride layer is in a residual compression state of 0 MPa or less and -5000 MPa or more, improvement in crack resistance and wear resistance as a tool is observed. It is
In deriving the orientation index TC (111) of the (111) plane, X-ray Measurements of diffraction peak intensities are used.

また、特許文献2では、すくい面および逃げ面を有し、それらの境界部分が切れ刃を成す表面被覆切削工具において、基材の表面にCVD法を用いて成膜された、特定組成のNaCl型結晶構造のTiAlN層の(111)面における配向性指数TC(111)が最大値を示し、その値が、1.0<TC(111)≦4.0を満たすときに、すぐれた耐摩耗性および耐欠損性を発揮する表面被覆切削工具が得られることが記載されている。
なお、(111)面の配向性指数TC(111)の導出にあたっては、Ti、Alの複合炭窒化物の結晶成長優先方位である、(111)、(200)、(220)、(311)および(222)の各結晶面に対するX線回折ピーク強度の測定値を用いている。
Further, in Patent Document 2, in a surface-coated cutting tool having a rake face and a flank face, and a boundary portion thereof forming a cutting edge, a film of NaCl having a specific composition is formed on the surface of a base material using a CVD method. Excellent wear resistance when the orientation index TC (111) in the (111) plane of the TiAlN layer of the type crystal structure shows the maximum value and the value satisfies 1.0 < TC (111) ≤ 4.0 It is described that a surface-coated cutting tool exhibiting excellent toughness and chipping resistance is obtained.
In deriving the orientation index TC (111) of the (111) plane, (111), (200), (220), (311), which are the preferred crystal growth orientations of the composite carbonitride of Ti and Al, and (222) crystal planes are measured values of X-ray diffraction peak intensity.

特表2018-522748号公報Japanese Patent Publication No. 2018-522748 特開2017-124463号公報JP 2017-124463 A

近年の切削加工における省力化および省エネ化等の要求は強く、これに伴い、切削加工は一段と高速化、高効率化の傾向にあり、被覆工具では、粒子の脱落の発生により、工具の欠損を伴う異常損傷を生じることから、すぐれた耐欠損性が求められ、さらに、長期の使用に亘っては、すぐれた耐摩耗性が求められている。
そして、前記特許文献1および特許文献2では、被覆工具において、化学蒸着法を用いて硬質被覆層として形成される立方晶構造を有するAl、Ti複合炭窒化物の結晶粒の結晶面を(111)面に配向させることにより、すぐれた耐欠損性と耐摩耗性を兼ね備えた被覆工具が提案されている。
しかしながら、単に特定組成のNaCl型結晶構造のAl、Ti複合炭窒化物の結晶粒の結晶面を(111)面に配向させ、その配向性指数を特定の範囲に規定するのみでは、耐欠損性は向上するものの、耐摩耗性が低下するため、耐欠損性と耐摩耗性の両立を図ることはできず、その結果、長期の使用を実現することができないという問題を有していた。
In recent years, there has been a strong demand for labor saving and energy saving in cutting, and along with this, cutting has become even faster and more efficient. Due to the accompanying abnormal damage, excellent chipping resistance is required, and furthermore, excellent wear resistance is required for long-term use.
In Patent Document 1 and Patent Document 2, in the coated tool, the crystal plane of the crystal grain of the Al and Ti composite carbonitride having a cubic crystal structure formed as a hard coating layer using a chemical vapor deposition method is set to (111 ) surface, a coated tool has been proposed that has both excellent chipping resistance and wear resistance.
However, simply by orienting the crystal planes of the crystal grains of the Al, Ti composite carbonitride of the NaCl-type crystal structure of a specific composition to the (111) plane and defining the orientation index within a specific range, the fracture resistance Although the resistance is improved, the wear resistance is lowered, so it is impossible to achieve both fracture resistance and wear resistance, and as a result, there is a problem that long-term use cannot be realized.

そこで、本発明は、かかる課題を解決し、長期使用に際しても、早期の摩耗損傷を発生することなく耐摩耗性にすぐれ、あわせて高い耐欠損性を発揮する表面被覆切削工具を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention aims to solve the above problems and provide a surface-coated cutting tool that exhibits excellent wear resistance without causing early wear damage even during long-term use, and also exhibits high chipping resistance. aim.

本発明者らは、前述の観点から、AlとTiの複合炭窒化物からなる硬質被覆層を化学蒸着にて被覆形成した被覆工具の耐欠損性と耐摩耗性の改善および向上を両立して達成すべく、鋭意研究を重ねた結果、次のような知見を得た。 From the above-mentioned viewpoint, the present inventors have achieved both improvement and enhancement of chipping resistance and wear resistance of a coated tool formed by chemical vapor deposition with a hard coating layer composed of a composite carbonitride of Al and Ti. As a result of earnest research in order to achieve this, the following findings were obtained.

すなわち、本発明者らは、炭化タングステン基超硬合金基体に対し、CVD-AlTiNから成る硬質被覆層の下部層を成膜するにあたり、例えば、基体の切れ刃逃げ面に対し、ウェットブラストやドライブラスト等の前処理を行うこと、あるいは、硬質被覆層の成膜後に後処理としてウェットブラストやドライブラストを行うこと、さらには、その両者を実施することにより、基体の切れ刃逃げ面およびすくい面のそれぞれに対して意図的に適切な値の残留応力を付与し、耐摩耗性を低下させることなく、耐欠損性にすぐれた表面被覆切削工具が得られることを知見した。 That is, the present inventors have found that in forming a lower layer of a hard coating layer made of CVD-AlTiN on a tungsten carbide-based cemented carbide substrate, for example, wet blasting or driving is applied to the cutting edge flank of the substrate. By performing pretreatment such as blasting, or by performing wet blasting or dry blasting as a post-treatment after forming the hard coating layer, or by performing both of them, the cutting edge flank and rake face of the substrate It has been found that by intentionally imparting appropriate values of residual stress to each of the above, a surface-coated cutting tool with excellent chipping resistance can be obtained without lowering wear resistance.

そして、具体的には、表面被覆工具の炭化タングステン基超硬合金基体の切れ刃逃げ面における残留応力S1を、切れ刃すくい面における残留応力S2より小さい値とし(S1<S2)、少なくとも-200MPa以下(S1≦-200MPa)の残留応力、すなわち、200MPa以上の残留圧縮応力を付与するとともに、前記基体の切れ刃すくい面における残留応力S2を前記切れ刃逃げ面における残留応力S1より大きな値(S1<S2)とし、S1とS2の差の絶対値を250より大きい値とすること、さらに好ましくは、前記切れ刃逃げ面における残留応力S1を、-850MPa以下(S1≦-850MPa)の残留応力、すなわち、850MPa以上の残留圧縮応力を付与するとともに、前記基体の切れ刃すくい面における残留応力S2を前記残留応力S1より大きな値(S1<S2)とし、S1とS2の差の絶対値を500より大きい値とすることにより、耐摩耗性を低下させることなく、耐欠損性にすぐれ、特に、フライス(ミーリング)加工用に好適な表面被覆切削工具が得られることを知見してなされたものである。
なお、ここで、切れ刃逃げ面における残留応力S1が、例えば、「-200MPa」であるとは、前記残留応力S1は、残留圧縮応力であって、残留圧縮応力値が200MPaであることをいい、また、「S1≦-200MPa」であるとは、「残留応力S1が、-200MPa以下」すなわち、「前記残留圧縮応力S1が、200MPa以上」であることをいう。切れ刃すくい面における残留応力S2においても同様である。
Specifically, the residual stress S1 on the cutting edge flank surface of the tungsten carbide-based cemented carbide substrate of the surface-coated tool is set to a value smaller than the residual stress S2 on the cutting edge rake surface (S1<S2), and at least -200 MPa. A residual stress below (S1 ≤ -200 MPa), that is, a residual compressive stress of 200 MPa or more is applied, and the residual stress S2 on the cutting edge rake surface of the base is set to a value larger than the residual stress S1 on the cutting edge flank surface (S1 <S2), and the absolute value of the difference between S1 and S2 is set to a value greater than 250, more preferably, the residual stress S1 on the cutting edge flank is -850 MPa or less (S1 ≤ -850 MPa), That is, while applying a residual compressive stress of 850 MPa or more, the residual stress S2 on the rake face of the cutting edge of the base is set to a value larger than the residual stress S1 (S1 < S2), and the absolute value of the difference between S1 and S2 is 500 or more. It was made based on the knowledge that by increasing the value, it is possible to obtain a surface-coated cutting tool that is excellent in chipping resistance without lowering wear resistance and is particularly suitable for milling (milling). .
Here, the residual stress S1 on the flank of the cutting edge is, for example, "-200 MPa", which means that the residual stress S1 is a residual compressive stress and the residual compressive stress value is 200 MPa. , "S1 ≤ -200 MPa" means that "the residual stress S1 is -200 MPa or less", that is, "the residual compressive stress S1 is 200 MPa or more". The same applies to the residual stress S2 on the rake face of the cutting edge.

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からなる工具基体の表面に、硬質被覆層を有してなる表面被覆切削工具において、
(a)前記硬質被覆層は、前記工具基体最表面に直接接してなる下部層と、該下部層に直接接してなる上部層との少なくとも二層を有し、前記硬質被覆層の全平均層厚は、0.6~21.0μmであり、
(b)前記下部層は、Tiの窒化物もしくは炭窒化物からなり、その平均層厚は、0.05~2.0μmであり、
(c)前記上部層は、AlとTiとの複合窒化物層または複合炭窒化物を含む層であり、その平均層厚は、0.5~20.0μmであり、
組成式:(AlTi1-X)(C1-Y)で表した場合、前記複合窒化物層または前記複合炭窒化物層のTiとAlとの合量に対してAlが占める平均含有割合Xavgおよび前記複合窒化物または前記複合炭窒化物層のCとNの合量に対してCが占める平均含有割合Yavg(但し、Xavg、Yavg はいずれも原子比)が、それぞれ、0.70≦Xavg≦0.90、0≦Yavg<0.05を満足し、NaCl型の面心立方晶構造を有する複合窒化物層または複合炭窒化物層からなり、
(d)表面被覆工具の切れ刃逃げ面の炭化タングステン基超硬合金の残留応力をS1、すくい面の残留応力S2としたとき、
α)S1<S2
β)S1≦-200MPa
γ)S1とS2の差の絶対値が250より大きいこと
をそれぞれ満たす表面被覆切削工具。
(2)前記上部層において、X線回折を行った際に、立方晶(111)面の回折線強度値に対する立方晶(200)面における回折線強度値、I(111)/I(200)が、
1.0≦I(111)/I(200)の関係を満たすことを特徴とする(1)に記載された表面被覆切削工具。
(3)表面被覆工具の切れ刃逃げ面の炭化タングステン基超硬合金の残留応力S1、すくい面の残留応力S2としたとき、
α)S1<S2
β)S1≦-850MPa
γ)S1とS2の差の絶対値が500より大きいこと
をそれぞれ満たす(1)または(2)に記載された表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
なお、本明細書中において、数値範囲を示す際に、「~」あるいは「-」を用いる場合は、その数値範囲の下限および上限を含むことを意味する。
つぎに、本発明の被覆工具の工具基体および硬質被覆層について、具体的に説明する。
The present invention was made based on the above findings,
"(1) A surface-coated cutting tool having a hard coating layer on the surface of a tool substrate made of a tungsten carbide-based cemented carbide,
(a) The hard coating layer has at least two layers, a lower layer in direct contact with the outermost surface of the tool substrate and an upper layer in direct contact with the lower layer, and the total average layer of the hard coating layer The thickness is 0.6 to 21.0 μm,
(b) the lower layer is made of Ti nitride or carbonitride and has an average layer thickness of 0.05 to 2.0 μm;
(c) the upper layer is a composite nitride layer of Al and Ti or a layer containing a composite carbonitride, and has an average layer thickness of 0.5 to 20.0 μm;
When represented by the composition formula: (Al X Ti 1-X ) (C Y N 1-Y ), Al accounts for the total amount of Ti and Al in the composite nitride layer or the composite carbonitride layer The average content ratio X avg and the average content ratio Y avg of C with respect to the total amount of C and N in the composite nitride or the composite carbonitride layer (wherein both X avg and Y avg are atomic ratios) , respectively satisfying 0.70 ≤ X avg ≤ 0.90 and 0 ≤ Y avg < 0.05, composed of a composite nitride layer or a composite carbonitride layer having a NaCl-type face-centered cubic crystal structure,
(d) When the residual stress of the tungsten carbide-based cemented carbide on the cutting edge flank of the surface-coated tool is S1 and the residual stress on the rake face is S2,
α) S1<S2
β) S1≤-200MPa
γ) Surface-coated cutting tools each satisfying that the absolute value of the difference between S1 and S2 is greater than 250.
(2) When performing X-ray diffraction in the upper layer, the diffraction line intensity value in the cubic crystal (200) plane with respect to the diffraction line intensity value in the cubic crystal (111) plane, I(111)/I(200) but,
The surface-coated cutting tool according to (1), which satisfies the relationship 1.0≦I(111)/I(200).
(3) When the residual stress S1 of the tungsten carbide-based cemented carbide on the cutting edge flank of the surface-coated tool and the residual stress S2 on the rake face are
α) S1<S2
β) S1≤-850MPa
γ) The surface-coated cutting tool according to (1) or (2), wherein the absolute value of the difference between S1 and S2 is greater than 500. ”
It is characterized by
In this specification, when "-" or "-" is used when indicating a numerical range, it means including the lower limit and the upper limit of the numerical range.
Next, the tool substrate and the hard coating layer of the coated tool of the present invention will be specifically described.

1.工具基体;
工具基体としては、炭化タングステン基超硬合金を用いる。本発明は、前記超硬合金基体の切れ刃逃げ面において、-200MPa以下、より好ましくは、-850MPa以下の残留応力が付与されることにより、硬質被覆層との密着性が高まり、連続高速切削領域に加え、断続切削領域においても、耐欠損性および耐摩耗性にすぐれた切削性能を有する切削工具として用いることができる。
また、前記合金基体の切れ刃逃げ面における残留応力値を-200MPa以下、より好ましくは、-850MPa以下とすることにより、加工中におけるクラックの進展を抑制し、高い耐欠損性を発揮させることができる。
他方、逃げ面と同様すくい面における圧縮残留応力が高まり、逃げ面の残留応力値とすくい面の残留応力値の差の絶対値が250MPa以下になると、熱亀裂の発生を抑制する効果は見られるものの、加工中期以降において塑性変形が生じた際に皮膜と基体の応力状態の不整合により、皮膜剥離が発生しやすくなるため、逃げ面における残留応力値に対するすくい面における残留応力値の差の絶対値は、250MPaより大きい値、好ましくは、500MPaより大きい値とすることが必要である。
前記工具基体への残留応力の付与は、ウェットブラストまたはドライブラストを用い、後記硬質被覆層の成膜前の前処理、あるいは、後記硬質被覆層の成膜後の後処理として行うことができる。
ウェットブラストまたはドライブラストを硬質被覆層の成膜前の前処理として行う場合には、成膜時の成膜温度を通常よりも低い温度とすることにより、残留応力の緩和を抑制できるため、工具の長寿命化を図ることができる。
例えば、ブラストによる基体への残留応力の付与は、硬質被覆層の成膜前もしくは成膜後に、アルミナや窒化ケイ素、ジルコニアの砥粒を用いたメディアにより、乾式または湿式のブラスト処理を工具表面へ投射することにより実施する。
ブラスト処理条件;
砥粒:ZrO粒、Al
砥粒形状:球形および/または多角形
砥粒サイズ(粒径):125-425μm(球形)/<125μm(多角形)
ブラスト圧力:0.1-0.4MPa
逃げ面から70~90°にてブラスト投射
投射時間: 4-16秒
1. tool substrate;
A tungsten carbide-based cemented carbide is used as the tool substrate. In the present invention, a residual stress of −200 MPa or less, more preferably −850 MPa or less is applied to the cutting edge flank of the cemented carbide substrate, thereby increasing the adhesion with the hard coating layer and enabling continuous high-speed cutting. It can be used as a cutting tool having cutting performance excellent in chipping resistance and wear resistance in the interrupted cutting area as well as in the cutting area.
In addition, by setting the residual stress value on the cutting edge flank of the alloy substrate to −200 MPa or less, more preferably −850 MPa or less, it is possible to suppress the development of cracks during processing and exhibit high fracture resistance. can.
On the other hand, as with the flank face, the compressive residual stress on the rake face increases, and when the absolute value of the difference between the residual stress value on the flank face and the residual stress value on the rake face becomes 250 MPa or less, the effect of suppressing the occurrence of thermal cracks can be seen. However, when plastic deformation occurs after the middle stage of processing, the stress state mismatch between the coating and the substrate makes it easier for the coating to peel off. The value should be greater than 250 MPa, preferably greater than 500 MPa.
The residual stress can be applied to the tool substrate by wet blasting or dry blasting as a pretreatment before forming the hard coating layer described later or as a post-treatment after forming the hard coating layer described later.
When performing wet blasting or dry blasting as a pretreatment before forming the hard coating layer, setting the film forming temperature to a lower temperature than usual can suppress the relaxation of residual stress. The service life of the battery can be extended.
For example, residual stress is applied to the substrate by blasting. Before or after forming the hard coating layer, dry or wet blasting is applied to the tool surface using media using abrasive grains of alumina, silicon nitride, or zirconia. It is carried out by projection.
blasting conditions;
Abrasive grains: 2 grains of ZrO, 3 grains of Al 2 O Abrasive grain shape: spherical and/or polygonal Abrasive grain size (particle diameter): 125-425 μm (spherical) / <125 μm (polygonal)
Blast pressure: 0.1-0.4MPa
Blast projection at 70-90° from the flank, projection time: 4-16 seconds

2.硬質被覆層;
硬質被覆層は、下部層と上部層を含んでなり、その他の層として、上部層の上に最上層を設けることができる。
硬質被覆層の平均層厚は、0.6μm未満では、密着性、耐摩耗性および耐欠損性を長期の使用に亘って十分に確保することはできないため、0.6μm以上とする。一方、その平均層厚が、21.0μmを超えると、剥離あるいは欠損が生じ易くなることから、21.0μm以下とすることが望ましい。
2. hard coating layer;
The hard coat layer comprises a lower layer and an upper layer, and as other layers, a top layer can be provided on the upper layer.
If the average layer thickness of the hard coating layer is less than 0.6 μm, sufficient adhesion, wear resistance, and chipping resistance cannot be ensured over a long period of use, so it is made 0.6 μm or more. On the other hand, if the average layer thickness exceeds 21.0 μm, peeling or chipping is likely to occur.

(a)下部層;
<平均層厚>
下部層は、Tiの窒化物もしくは炭窒化物からなり、工具基体の直上に直接接して設けられる。下部層の平均層厚は、0.05μm未満では、十分な密着性が得られないため、0.05μm以上とする。他方、2.0μmを超えると得られた硬質被覆層の変形が顕著となり、切削加工の早期段階にて工具基体からの剥離が生じ易くなるため、2.0μm以下とした。
(a) lower layer;
<Average layer thickness>
The lower layer is made of Ti nitride or carbonitride and is provided directly above and in direct contact with the tool base. If the average layer thickness of the lower layer is less than 0.05 μm, sufficient adhesion cannot be obtained, so it is made 0.05 μm or more. On the other hand, if the thickness exceeds 2.0 μm, deformation of the obtained hard coating layer becomes remarkable, and peeling from the tool substrate is likely to occur at an early stage of cutting.

<成分組成>
下部層の成分組成は、Tiの窒化物もしくは炭窒化物であれば、本発明の目的を阻害するものではないので、特に限定されないが、例えば、組成式TiC1-Zにて表現した場合、0≦Z≦0.05である範囲が好ましい。
すなわち、Zが、0.05より多く含まれると下部層の硬度が過度に上昇し、下部層と基材界面からの剥離が生じやすくなるためである。
<Component composition>
The composition of the lower layer is not particularly limited as long as it is a nitride or carbonitride of Ti , so that it does not hinder the object of the present invention. In this case, the range of 0≤Z≤0.05 is preferable.
That is, if the Z content is more than 0.05, the hardness of the lower layer excessively increases, and peeling from the interface between the lower layer and the substrate tends to occur.

(b)上部層
<平均層厚>
上部層は、TiとAlの複合窒化物または複合炭窒化物からなり、前記下部層の直上に直接接して設けられる。上部層の平均層厚は、0.5μm未満では、皮膜全体における硬質層が不十分であり、耐摩耗性に劣るため、0.5μm以上とする。他方、平均層厚が、20.0μmを超えると、硬質層の層厚が、過多となり加工中に剥離や欠損が生じ易くなるため、20.0μm以下とした。
(b) upper layer <average layer thickness>
The upper layer is made of composite nitride or composite carbonitride of Ti and Al, and is provided directly above and in direct contact with the lower layer. If the average layer thickness of the upper layer is less than 0.5 μm, the hard layer in the entire coating is insufficient and wear resistance is poor, so the average layer thickness is made 0.5 μm or more. On the other hand, if the average layer thickness exceeds 20.0 μm, the layer thickness of the hard layer becomes excessive, and peeling and chipping are likely to occur during processing.

<成分組成>
上部層は、AlとTiの複合窒化物層(AlTiN層)、または、複合炭窒化物層(AlTiCN層)にて構成され、層全体に亘り、均質な耐摩耗性や靱性を示し、Ti成分によって、高温強度を向上させ、Al成分によって、高温硬さと耐熱性を補完するため、高温切削条件下においても、低摩耗係数が維持され、すぐれた耐熱性を発揮することができる。
前記Al、Tiの複合窒化物層または複合炭窒化物層を構成する複合窒化物または複合炭窒化物は、具体的には、組成式:(AlTi1-X)(C1-Y)にて表すことができるが、Alの平均含有割合Xavg(原子比)の値が0.70未満になると、高温硬さが不足し耐摩耗性が低下するようになり、一方、Xavg(原子比)の値が0.90を超えると、相対的なTi含有割合の減少により、(AlTi1-X)(C1-Y)層自体の高温強度が低下し、チッピング、欠損を発生しやすくなるため、Alの平均含有割合Xavg(原子比)の値は、最大硬さに近く、特に高い効果が得られる、0.70以上0.90以下の範囲に規定した。
また、C成分には、硬さを向上させる作用があるが、C成分の平均含有割合Yavg(原子比)が0.05以上では、高温強度が低下するため、C成分の平均含有割合Yavg(原子比)は、0≦Yavg<0.05と規定した。
<Component composition>
The upper layer is composed of a composite nitride layer (AlTiN layer) of Al and Ti or a composite carbonitride layer (AlTiCN layer), and exhibits uniform wear resistance and toughness throughout the layer. The high-temperature strength is improved by the Al component, and the high-temperature hardness and heat resistance are complemented by the Al component. Therefore, even under high-temperature cutting conditions, a low wear coefficient is maintained and excellent heat resistance can be exhibited.
Specifically, the composite nitride or composite carbonitride constituting the composite nitride layer or composite carbonitride layer of Al and Ti has a composition formula: (Al X Ti 1-X ) (C Y N 1- Y ), but when the value of the average Al content X avg (atomic ratio) is less than 0.70, the high-temperature hardness becomes insufficient and wear resistance decreases. When the value of avg (atomic ratio) exceeds 0.90, the high-temperature strength of the (Al x Ti 1-x )(C Y N 1-y ) layer itself decreases due to the decrease in the relative Ti content, Since chipping and chipping are likely to occur, the value of the average content of Al X avg (atomic ratio) is defined in the range of 0.70 or more and 0.90 or less, which is close to the maximum hardness and obtains a particularly high effect. did.
In addition, although the C component has the effect of improving hardness, if the average content ratio Y avg (atomic ratio) of the C component is 0.05 or more, the high-temperature strength decreases. avg (atomic ratio) was defined as 0≦Y avg <0.05.

<結晶配向>
上部層を構成するAl、Tiの複合窒化物、または、複合炭窒化物(AlTi1-X)(C1-Y)は、NaCl型の面心立方構造(以下、単に「立方晶構造」という場合もある。)をとることによって硬さを向上させることができる。
すなわち、立方晶構造の(111)面に高配向性を有する、Al、Tiの複合窒化物層、または、複合炭窒化物層とすることにより、高硬度化することができる。
また、上部層における(200)面の回折線強度値I(200)に対する(111)面の回折線強度値I(111)の比I(111)/I(200)が、1.0以上であるとき、加工中の結晶粒の脱落が発生しにくくなるため、I(111)/I(200)≧1.0とすることが望ましい。
<Crystal Orientation>
Al and Ti composite nitrides or composite carbonitrides (Al X Ti 1-X ) (C YN 1-Y ) constituting the upper layer have a NaCl-type face-centered cubic structure (hereinafter simply “cubic Hardness can be improved by adopting a "crystal structure".
That is, by forming a composite nitride layer or a composite carbonitride layer of Al and Ti having high orientation in the (111) plane of the cubic crystal structure, it is possible to increase the hardness.
Further, the ratio I(111)/I(200) of the diffraction line intensity value I(111) of the (111) plane to the diffraction line intensity value I(200) of the (200) plane in the upper layer is 1.0 or more. It is desirable that I(111)/I(200)≧1.0 because the crystal grains are less likely to come off during working.

(c)最上層
本発明においては、上部層である前記AlTi複合窒化物層または前記AlTi複合炭窒化物層上に、耐摩耗性向上等の観点やより広い加工用途へ対応する等の観点より、必要に応じ、最上層を設けることができる。
具体的には、α-Alやκ-AlなどのAl酸化物からなる層や、Tiの窒化物層または炭窒化物層などを4.5μm以下の範囲内にて設けることができる。
(c) top layer
In the present invention, on the AlTi composite nitride layer or the AlTi composite carbonitride layer, which is the upper layer, from the viewpoint of improving wear resistance and responding to a wider range of processing applications, if necessary, A top layer may be provided.
Specifically, a layer made of Al oxide such as α-Al 2 O 3 and κ-Al 2 O 3 , a Ti nitride layer or a carbonitride layer, etc. are provided within a range of 4.5 μm or less. be able to.

3.硬質被覆層の成膜方法;
(a)工具基体への残留応力の付与方法
工具基体への残留応力の付与は、ブラスト処理(ウェットブラストまたはドライブラスト)を後記硬質被覆層の成膜前の前処理、あるいは、硬質被覆層の成膜後の後処理として行うことができる。
なお、ブラスト処理を後記硬質被覆層の成膜前の前処理として行う場合には、成膜温度を従来の処理温度よりも低温とすることにより、硬質被覆層の引張応力の残存を抑制できるため、切削工具の長寿命化を図ることができる。
3. A method for forming a hard coating layer;
(a) Method for imparting residual stress to tool substrate Residual stress can be imparted to the tool substrate by blasting (wet blasting or dry blasting) as a pretreatment before forming the hard coating layer described later, or for removing the hard coating layer. It can be performed as a post-treatment after film formation.
When the blasting treatment is performed as a pretreatment before forming the hard coating layer described later, the film formation temperature is set to be lower than the conventional treatment temperature, so that residual tensile stress in the hard coating layer can be suppressed. , the life of the cutting tool can be extended.

(b)下部層の成膜方法
硬質被覆層の下部層は、Tiと窒素から成る化合物層、もしくは、Tiと窒素および炭素から成る化合物層からなるものであり、第1工程として、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(ガス群A)、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、密着性にすぐれたTiN層またはTiCN層を形成することができる。
[成膜条件]
1)TiN層;
処理方法;CVDを用いた成膜
反応ガス組成(容量%)
TiCl:3.0~6.0%、N:25.0~35.0%、H:残、
反応雰囲気圧力:4.0~12.0kPa、
反応雰囲気温度:780~900℃
2)TiCN層;
処理方法;CVDを用いた成膜
反応ガス組成(容量%)
TiCl:3.0~6.0%、N:15.0~30.0%、
CHまたはCHCN:0.6~2.0%,H:残、
反応雰囲気圧力:7.0~12.0kPa、
反応雰囲気温度:780~900℃
(b) Film formation method for lower layer
The lower layer of the hard coating layer is a compound layer composed of Ti and nitrogen, or a compound layer composed of Ti, nitrogen and carbon. By adjusting the reaction gas composition (gas group A) and the reaction atmosphere such as pressure and temperature within appropriate ranges, a TiN layer or a TiCN layer with excellent adhesion can be formed.
[Deposition conditions]
1) TiN layer;
Processing method: Film formation using CVD Reaction gas composition (% by volume)
TiCl 4 : 3.0-6.0%, N 2 : 25.0-35.0%, H 2 : remainder,
Reaction atmosphere pressure: 4.0 to 12.0 kPa,
Reaction atmosphere temperature: 780-900°C
2) TiCN layer;
Processing method: Film formation using CVD Reaction gas composition (% by volume)
TiCl4 : 3.0-6.0%, N2 : 15.0-30.0%,
CH 4 or CH 3 CN: 0.6-2.0%, H 2 : remainder,
Reaction atmosphere pressure: 7.0 to 12.0 kPa,
Reaction atmosphere temperature: 780-900°C

(c)上部層の成膜方法
<上部層の成膜>
次いで、本発明に係る上部層の成膜方法では、AlTi複合窒化物層またはAlTi複合炭窒化物層の成膜条件について、例えば、加熱温度の異なる二種類のNHガスを用い、高温のアンモニアガスにより核形成を抑制し、結晶化を促進させることにより、粗粒を得ることができる。
すなわち、本発明に係るAlTiN層またはAlTiCN層の成膜方法は、第2工程(初期核形成工程)、すなわち、AlTiN膜またはAlTiCN膜を形成するための初期核となるAlTiN結晶またはAlTiCN結晶を形成する工程と、第3工程(結晶成長工程)、すなわち、初期核である、前記AlTiN結晶またはAlTiCN結晶を成長させ、AlTiN膜またはAlTiCN膜を形成するための工程とを交互に繰り返すことにより、成膜を行うものである。
以下に、各成膜工程における成膜条件の概要を示すが、特に、第2工程における、微細なAlTiN結晶またはAlTiCN結晶の初期核の形成工程では、以下のガス群Bとガス群Cとを位相差を設けて交互に反応器に供給し成膜を行なう際に、高温(例えば、300~450℃)で予熱されたアンモニアガスを用いることにより、核形成を促進し、引き続いて実施する第3工程においては、以下のガス群Dとガス群Eとを位相差を設けて交互に反応器に供給し成膜を行なう際に、用いるアンモニアガスを低温(例えば、50~250℃)で予熱されたアンモニアガスに変更することにより、核形成を抑制し結晶化を促進し、所望の結晶を得ることができる。
なお、前記第2工程と前記第3工程との繰り返し数は、目標膜厚に合わせて調整する。
(c) Method of depositing upper layer <Deposition of upper layer>
Next, in the method for forming the upper layer according to the present invention, the conditions for forming the AlTi composite nitride layer or the AlTi composite carbonitride layer are set, for example, by using two types of NH 3 gas with different heating temperatures, Coarse grains can be obtained by suppressing nucleation with gas and promoting crystallization.
That is, the method for forming an AlTiN layer or an AlTiCN layer according to the present invention includes the second step (initial nucleation step), that is, forming AlTiN crystals or AlTiCN crystals as initial nuclei for forming an AlTiN film or an AlTiCN film. and the third step (crystal growth step), that is, the step of growing the AlTiN crystal or AlTiCN crystal, which is the initial nucleus, to form an AlTiN film or AlTiCN film. membrane.
An outline of the film formation conditions in each film formation step is shown below. In particular, in the step of forming initial nuclei of fine AlTiN crystals or AlTiCN crystals in the second step, the following gas group B and gas group C are used. When forming a film by alternately supplying to the reactor with a phase difference, by using ammonia gas preheated at a high temperature (for example, 300 to 450 ° C.), nucleation is promoted and subsequently performed. In the 3 steps, the following gas group D and gas group E are alternately supplied to the reactor with a phase difference, and the ammonia gas used is preheated at a low temperature (for example, 50 to 250 ° C.). By changing to the ammonia gas that has been dehydrated, it is possible to suppress nucleation and promote crystallization, thereby obtaining desired crystals.
The number of repetitions of the second step and the third step is adjusted according to the target film thickness.

[成膜条件]
1)第2工程(初期核形成工程)
処理方法;CVD法を用いた成膜
反応ガス組成(容量%):
ガス群B:TiCl:0.01~0.04%、AlCl:0.01~0.05%、
:0~10%、C:0~0.5%、H:残
ガス群C:NH:0.1~0.8%、H:25.0~35.0%、
反応雰囲気圧力:4.0~5.0kPa、
反応雰囲気温度:700~850℃
供給周期:1~5秒、
1周期当たりのガス供給時間:0.15~0.25秒、
ガス群Bの供給とガス群Cの供給の位相差:0.10~0.20秒
ガス群Cの予熱温度:300~450℃
[Deposition conditions]
1) Second step (initial nucleation step)
Processing method: Film formation using CVD method Reaction gas composition (% by volume):
Gas group B: TiCl 4 : 0.01 to 0.04%, AlCl 3 : 0.01 to 0.05%,
N 2 : 0 to 10%, C 2 H 4 : 0 to 0.5%, H 2 : remaining gas group C: NH 3 : 0.1 to 0.8%, H 2 : 25.0 to 35.0 %,
Reaction atmosphere pressure: 4.0 to 5.0 kPa,
Reaction atmosphere temperature: 700-850°C
Supply cycle: 1 to 5 seconds,
Gas supply time per cycle: 0.15 to 0.25 seconds,
Phase difference between supply of gas group B and supply of gas group C: 0.10 to 0.20 seconds Preheating temperature of gas group C: 300 to 450°C

2)第3工程(結晶成長工程)
処理方法;CVD法を用いた成膜
反応ガス組成(容量%):
ガス群D:TiCl:0.01~0.04%、AlCl:0.01~0.05%、
:0~10%、C:0~0.5%、H:残、
ガス群E:NH:0.1~0.8%、H:25.0~35.0%、
反応雰囲気圧力:4.0~5.0kPa、
反応雰囲気温度:700~850℃
供給周期:1~5秒、
1周期当たりのガス供給時間:0.15~0.25秒、
ガス群Dの供給とガス群Eの供給の位相差:0.10~0.20秒
ガス群Eの予熱温度:50~250℃
なお、第2工程および第3工程のそれぞれの反応ガス組成(容量%)における、各ガス成分の容量%は、第2工程においては、ガス群Bとガス群Cとの合計を100容量%として算出される各成分の容量%を示し、第3工程においては、ガス群Dとガス群Eとの合計を100容量%として算出される各成分の容量%を示す。
2) Third step (crystal growth step)
Processing method: Film formation using CVD method Reaction gas composition (% by volume):
Gas group D: TiCl 4 : 0.01 to 0.04%, AlCl 3 : 0.01 to 0.05%,
N 2 : 0-10%, C 2 H 4 : 0-0.5%, H 2 : balance,
Gas group E: NH 3 : 0.1 to 0.8%, H 2 : 25.0 to 35.0%,
Reaction atmosphere pressure: 4.0 to 5.0 kPa,
Reaction atmosphere temperature: 700-850°C
Supply cycle: 1 to 5 seconds,
Gas supply time per cycle: 0.15 to 0.25 seconds,
Phase difference between supply of gas group D and supply of gas group E: 0.10 to 0.20 seconds Preheating temperature of gas group E: 50 to 250°C
Note that the volume % of each gas component in the reaction gas composition (% by volume) in each of the second step and the third step is determined by taking the total of gas group B and gas group C as 100% by volume in the second step. The calculated volume % of each component is shown, and in the third step, the volume % of each component is shown assuming that the total of gas group D and gas group E is 100 volume %.

本発明に係る表面被覆切削工具は、工具基体の逃げ面およびすくい面のそれぞれに所定範囲の残留応力を付与することにより、切削加工中における硬質被覆層の耐摩耗性を維持し、耐剥離効果を高めるとともに、クラックの進展を抑制し、耐欠損性、耐チッピング性を発揮させ、工具寿命の向上を図るものである。
特に、フライス加工(ミーリング)においては、加工中に工具すくい面から発生した熱亀裂は逃げ面側への進展することにより刃先の欠損が発生するため、逃げ面における残留応力を-200MPa以下、すなわち、高圧縮残留応力下に置くことにより、顕著な亀裂の進展抑制効果が発揮される。
他方、逃げ面と同様すくい面における圧縮残留応力が高まり、逃げ面の残留応力値とすくい面の残留応力値の差の絶対値が250MPa以下になると、熱亀裂の発生を抑制する効果は見られるものの、加工中期以降で塑性変形が生じた際に皮膜と基体の応力状態の不整合により、皮膜剥離が発生しやすくなるため、逃げ面における残留応力値に対するすくい面における残留応力値の差の絶対値は、250MPaより大きい値とすることが必要である。
The surface-coated cutting tool according to the present invention maintains the wear resistance of the hard coating layer during cutting by applying a predetermined range of residual stress to each of the flank and rake face of the tool substrate, and has an anti-peeling effect. and suppress the progress of cracks, exhibit fracture resistance and chipping resistance, and improve the tool life.
In particular, in milling, thermal cracks generated from the rake face of the tool during processing propagate to the flank face side, causing chipping of the cutting edge, so the residual stress on the flank face is reduced to -200 MPa or less, that is, , a remarkable effect of suppressing crack growth is exhibited by placing it under high compressive residual stress.
On the other hand, as with the flank face, the compressive residual stress on the rake face increases, and when the absolute value of the difference between the residual stress value on the flank face and the residual stress value on the rake face becomes 250 MPa or less, the effect of suppressing the occurrence of thermal cracks can be seen. However, when plastic deformation occurs after the middle stage of processing, the stress state mismatch between the coating and the substrate makes it easier for the coating to peel off. The value should be greater than 250 MPa.

本発明に係る被覆工具の工具基体と、硬質被覆層を構成する下部層(Ti(C)N層)、上部層(CVD-AlTiN(C)層)、および、最上層との関係を示す断面模式図である。Cross section showing the relationship between the tool substrate of the coated tool according to the present invention, the lower layer (Ti(C)N layer), the upper layer (CVD-AlTiN(C) layer), and the uppermost layer constituting the hard coating layer It is a schematic diagram. 本発明に係る被覆工具の被削材であるH型製缶部材の断面図を示す。FIG. 2 shows a cross-sectional view of an H-shaped can-making member, which is a work material for the coated tool according to the present invention.

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、TaC粉末、NbC粉末、Cr32粉末およびCo粉末を用意し、これら原料粉末を、表1に示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SEEN1203AFTN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をそれぞれ作製した。 As raw material powders, WC powder, TiC powder, TaC powder, NbC powder, Cr 3 C 2 powder, and Co powder, all having an average particle size of 1 to 3 μm, were prepared. After blending with the composition, wax is further added and mixed in a ball mill for 24 hours in acetone, dried under reduced pressure, and then pressed into a green compact of a predetermined shape at a pressure of 98 MPa. Vacuum sintered at a predetermined temperature within the range of ~1470°C for 1 hour. After sintering, tool substrates A to C made of WC-based cemented carbide with an insert shape of ISO standard SEEN1203AFTN were produced respectively. did.

ついで、これらの工具基体A~Cのそれぞれを化学蒸着装置に装入し、以下の手順にて本発明被覆工具1~8をそれぞれ製造した。
なお、前記したとおり、本発明においては、工具基体A~C工具基体に対し、硬質被覆層の成膜前の前処理、および、または、硬質被覆層の成膜後の後処理として、逃げ面にブラスト処理が行われ、基体のすくい面および逃げ面に残留応力が付与されることを前提とする(表2を参照)。
次いで、第1工程として、化学蒸着装置内に工具基体A~Cのいずれかを配置し、表3に示される形成条件(形成記号)A~Hに記載された、温度条件および圧力条件の下、表3に示される成分組成を有するガス群A(TiCl、N、CH、CHCNおよび残部H)により、一定時間成膜を行なう。
Then, each of these tool substrates A to C was loaded into a chemical vapor deposition apparatus, and the coated tools 1 to 8 of the present invention were produced according to the following procedure.
As described above, in the present invention, the tool substrates A to C are subjected to pretreatment before the formation of the hard coating layer and/or as post-treatment after the formation of the hard coating layer. It is assumed that blasting is performed at 100° C. and residual stresses are imparted to the rake face and flank face of the substrate (see Table 2).
Next, as a first step, any one of the tool substrates A to C is placed in a chemical vapor deposition apparatus, and under the temperature and pressure conditions described in the formation conditions (formation symbols) A to H shown in Table 3. , a gas group A (TiCl 4 , N 2 , CH 4 , CH 3 CN and the balance H 2 ) having the composition shown in Table 3 is used to form a film for a certain period of time.

本発明被覆工具1~5については、前記第1工程に引き続き、第2工程(上部層初期核形成工程)として、表4に示される形成条件(形成記号)A~Eに記載された、ガス群Bとガス群Cのガス組成、供給条件、および、ガス反応条件(圧力、温度、工程時間(秒))に基づき、一定時間成膜を行ない、第3工程(上部層の結晶成長工程)として、表5に示される形成条件(形成記号)A~Eに記載された、ガス群Dとガス群Eのガス組成、供給条件、および、ガス反応条件(圧力、温度、工程時間(秒))に基づき、一定時間成膜を行ない、表7に示す本発明被覆工具1~5を得た。
また、本発明被覆工具6~8については、前記第1工程に引き続き、第2工程(上部層初期核形成工程)にて、前記表4に示される形成条件(形成記号)F~Hにて成膜後、第3工程(上部層の結晶成長工程)にて、前記表5に示される形成条件(形成記号)F~Hにて成膜後、さらに、最上層として、それぞれ、κ-Al層、l-TiCN層またはα-Al層を表6に示される形成条件にて成膜することにより、表7に示す本発明被覆工具6~8として得た。
Regarding the coated tools 1 to 5 of the present invention, following the first step, as the second step (upper layer initial nucleus formation step), the gas described in the formation conditions (formation symbols) A to E shown in Table 4 Based on the gas compositions of group B and gas group C, supply conditions, and gas reaction conditions (pressure, temperature, process time (seconds)), film formation is performed for a certain period of time, and the third step (crystal growth step of the upper layer). , the gas composition, supply conditions, and gas reaction conditions (pressure, temperature, process time (seconds) of gas group D and gas group E described in formation conditions (formation symbols) A to E shown in Table 5. ), film formation was carried out for a certain period of time, and the coated tools 1 to 5 of the present invention shown in Table 7 were obtained.
In addition, for the coated tools 6 to 8 of the present invention, following the first step, the second step (upper layer initial nucleus formation step) was performed under the formation conditions (formation symbols) F to H shown in Table 4 above. After film formation, in the third step (crystal growth step of the upper layer), after film formation under the formation conditions (formation symbols) F to H shown in Table 5, further, as the top layer, κ-Al 2 O 3 layers, l-TiCN layers or α-Al 2 O 3 layers were formed under the conditions shown in Table 6 to obtain coated tools 6 to 8 of the present invention shown in Table 7.

また、比較の目的で、表3、表4および表5に示される形成条件a~eにて成膜を行ない、比較例被覆工具1~5を得た。
また、表3、表4および表5に示される形成条件f~hにて成膜を行なった後、最上層として、それぞれ、κ-Al層、l-TiCN層またはα-Al層を表6に示される形成条件にて成膜することにより、表8に示す比較例工具6~8を得た。
For the purpose of comparison, films were formed under conditions a to e shown in Tables 3, 4 and 5 to obtain comparative coated tools 1 to 5.
Further, after film formation was performed under formation conditions f to h shown in Tables 3, 4 and 5, κ-Al 2 O 3 layer, l-TiCN layer or α-Al 2 layer was formed as the uppermost layer, respectively. Comparative tools 6 to 8 shown in Table 8 were obtained by forming an O 3 layer under the conditions shown in Table 6.

表7には、本発明被覆工具1~8の工具基体における逃げ面およびすくい面の残留応力、硬質被覆層の目標平均全層厚、下部層の目標平均層厚および形成膜の種類、上部層の目標平均層厚、平均Al含有割合(Xavg)、平均C含有割合(Yavg)、結晶構造および回折線強度比(I(111)/I(200))、最上層の目標平均層厚および形成膜を示す。
表8には、比較例被覆工具1~8について、工具基体における逃げ面およびすくい面の残留応力、硬質被覆層の目標平均全層厚、下部層の目標平均層厚および形成膜の種類、上部層の目標平均層厚、平均Al含有割合(Xavg)、平均C含有割合(Yavg)、結晶構造および回折線強度比(I(111)/I(200))、最上層の目標平均層厚を同様に示す。
Table 7 shows the residual stress on the flank and rake face of the tool substrate of the coated tools 1 to 8 of the present invention, the target average total layer thickness of the hard coating layer, the target average layer thickness of the lower layer, the type of film formed, and the upper layer. Target average layer thickness, average Al content ratio (Xavg), average C content ratio (Yavg), crystal structure and diffraction line intensity ratio (I (111) / I (200)), target average layer thickness and formation of the uppermost layer shows the membrane.
Table 8 shows the residual stress on the flank and rake face of the tool substrate, the target average total layer thickness of the hard coating layer, the target average layer thickness of the lower layer, the type of film formed, and the type of formed film, for the coated tools 1 to 8 of Comparative Examples. Target average layer thickness of the layer, average Al content (Xavg), average C content (Yavg), crystal structure and diffraction line intensity ratio (I (111) / I (200)), target average layer thickness of the top layer similarly shown.

なお、ここで、本発明被覆工具1~8、および、比較例被覆工具1~8の硬質被覆層の膜厚の測定は、走査型電子顕微鏡(倍率5000倍)を用いて行った。
すなわち、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、5000~20000倍の視野にて各層を観察し、観察視野内の5点の層厚を測った平均値を平均層厚として、本発明被覆工具1~8については、表7に、比較例被覆工具1~8については、表8に示した。
また、上部層のAlTiNまたはAlTiCNのAlの平均含有割合Xavg(原子比)およびC成分の平均含有割合Yavg(原子比)については、電子線マイクロアナライザ(EPMA,Electron-Probe-Micro-Analyser)を用い、表面を研磨した試料において、電子線を試料表面側から照射し、得られた特性X線の解析結果の10点平均から求めた。
本発明被覆工具1~8については表7に、比較例被覆工具1~8については表8に、XavgおよびYavgの値を示す。
Here, the measurement of the thickness of the hard coating layer of the coated tools 1 to 8 of the present invention and the coated tools 1 to 8 of the comparative examples was performed using a scanning electron microscope (magnification: 5000).
That is, the tool base is polished so that the cross section in the direction perpendicular to the tool substrate is exposed, each layer is observed in a field of view of 5000 to 20000 times, and the average value of the layer thickness measured at 5 points in the observation field is the average layer thickness. As such, the coated tools 1 to 8 of the present invention are shown in Table 7, and the coated tools 1 to 8 of the comparative examples are shown in Table 8.
Further, the average Al content X avg (atomic ratio) of AlTiN or AlTiCN in the upper layer and the average content Y avg (atomic ratio) of the C component were measured using an electron probe microanalyser (EPMA, Electron-Probe-Micro-Analyser). ) was used to irradiate an electron beam from the surface side of a sample whose surface was polished, and the characteristic X-ray analysis results obtained were averaged from 10 points.
The values of X avg and Y avg are shown in Table 7 for inventive coated tools 1-8 and in Table 8 for comparative coated tools 1-8.

また、本発明被覆工具および比較例被覆工具の硬質被覆層の上部層のAlTiN層、AlTiCN層の結晶構造については、X線回折装置を用い、Cu-Kα線を線源として測定範囲(2θ):20~120度、スキャンステップ:0.013度、1ステップ辺り測定時間:0.48sec/stepの条件にて、例えば、工具基体表面に対して平行な硬質被覆層表面において、X線回折を行い、JCPDS00-038-1420立方晶TiNとJCPDS00-046-1200立方晶AlN、各々に示される同一結晶面の回折角度の間(例えば、36.66~38.53°、43.59~44.77°、61.81~65.18°)に現れるX線回折ピークにより、確認することができる。
また、測定された、(200)面、および、(111)面におけるX線回折ピーク強度の測定値I(hkl)より、(200)面の回折ピーク強度I(200)に対する(111)面の回折ピーク強度I(111)の比であるI(111)/I(200)を得ることができる。
また、工具基体の残留応力は、sinΨ法を用い、Cuκαを用いたX線回折装置を用いて測定する。測定には、WC(211)面の回折ピークを用い、ヤング率として534GPa、ポアソン比として0.22を使用して計算を実施する。
Further, the crystal structures of the AlTiN layer and the AlTiCN layer in the upper hard coating layer of the coated tool of the present invention and the coated tool of the comparative example were measured using an X-ray diffractometer using a Cu-Kα ray as a radiation source, and the measurement range (2θ) : 20 to 120 degrees, scan step: 0.013 degrees, measurement time per step: 0.48 sec/step, for example, on the hard coating layer surface parallel to the tool substrate surface, X-ray diffraction between the diffraction angles of the same crystal planes shown in JCPDS00-038-1420 cubic TiN and JCPDS00-046-1200 cubic AlN, respectively (for example, 36.66-38.53°, 43.59-44. 77°, 61.81 to 65.18°).
In addition, from the measured value I (hkl) of the X-ray diffraction peak intensity in the (200) plane and the (111) plane, the diffraction peak intensity I (200) of the (111) plane for the (200) plane A ratio of diffraction peak intensities I(111), I(111)/I(200), can be obtained.
Moreover, the residual stress of the tool substrate is measured using an X-ray diffractometer using Cuκα using the sin 2 ψ method. For the measurement, the diffraction peak of the WC (211) plane is used, and calculation is performed using a Young's modulus of 534 GPa and a Poisson's ratio of 0.22.

Figure 2022138563000002
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Figure 2022138563000003
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Figure 2022138563000004
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Figure 2022138563000006
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Figure 2022138563000007
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Figure 2022138563000008
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Figure 2022138563000009
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つぎに、前記各種の被覆工具を工具鋼製カッターの先端部に固定治具にてクランプした状態にて、本発明被覆工具1~8、比較例被覆工具1~8について、以下に示す、溶接部材の正面フライス加工を実施し、工具欠損にいたるまでの最大加工長に関する評価を実施し、結果を表9に示した。 Next, with the various coated tools clamped on the tip of the tool steel cutter with a fixing jig, the coated tools 1 to 8 of the present invention and the coated tools 1 to 8 of the comparative examples were welded as follows. The members were face-milled, and the maximum machining length up to tool breakage was evaluated. Table 9 shows the results.

≪切削条件≫
切削試験 :湿式 正面フライス連続加工
被削材 :SS400溶接部材
T1=30mm、幅100mm、長さ400mmH型製缶部材図2
回転速度 :637min-1
切削速度 :250m/min.、
切り込み :3.0mm、
一刃送り量:0.2mm/tooth、
切削時間 :刃先が欠損に至るまたは切削長8m加工で加工中止
≪Cutting conditions≫
Cutting test: Continuous wet face milling Work material: SS400 welding member
T1 = 30 mm, width 100 mm, length 400 mm H-type can manufacturing member Fig. 2
Rotation speed: 637 min -1 ,
Cutting speed: 250m/min. ,
Notch: 3.0mm,
Single blade feed amount: 0.2 mm/tooth,
Cutting time: Stopped when the cutting edge breaks or when the cutting length reaches 8 m.

Figure 2022138563000010
Figure 2022138563000010

表9に示される切削加工試験結果からも明らかなように、本発明被覆工具は、炭化タングステン基超硬合金基体の、逃げ面とすくい面の残留圧縮応力を任意の値に制御し、前記工具基体表面に直接接する硬質被覆層について、下部層としてTiの窒化物層もしくは炭窒化物層を備え、上部層としてNaCl型面心立方晶構造を有するAlとTiの複合窒化物層もしくは複合炭窒化物層を備えることにより、微細結晶粒の脱落に起因するチッピング等の発生を回避し、長期に亘ってすぐれた耐欠損性および耐摩耗性を発揮するものである。 As is clear from the cutting test results shown in Table 9, the coated tool of the present invention controls the residual compressive stress on the flank and rake face of the tungsten carbide-based cemented carbide substrate to an arbitrary value. The hard coating layer in direct contact with the substrate surface includes a Ti nitride layer or carbonitride layer as a lower layer, and an Al and Ti composite nitride layer or composite carbonitride layer having an NaCl-type face-centered cubic crystal structure as an upper layer. By providing the material layer, it is possible to avoid the occurrence of chipping or the like caused by falling off of fine crystal grains, and to exhibit excellent chipping resistance and wear resistance over a long period of time.

前述のとおり、本発明の表面被覆切削工具は、通常の鋼種の連続切削加工や断続切削加工に加え、特に、ステンレス鋼や溶断表面が残存する難削材の断続切削加工に用いた場合、あるいは、加工能率を重視した高い切り込み量が求められる荒加工においても、すぐれた耐摩耗性に加え、耐欠損性、耐チッピング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、さらには、低コスト化を十分満足するものである。
As described above, the surface-coated cutting tool of the present invention can be used not only for continuous cutting and intermittent cutting of ordinary steel grades, but also for intermittent cutting of stainless steel and other difficult-to-cut materials with fused surfaces. In addition to excellent wear resistance, fracture resistance and chipping resistance are also demonstrated in rough machining, which requires a high depth of cut with an emphasis on machining efficiency. This fully satisfies labor saving, energy saving, and cost reduction.

Claims (3)

炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体の表面に、硬質被覆層を有してなる表面被覆切削工具において、
(a)前記硬質被覆層は、前記工具基体最表面に直接接してなる下部層と、該下部層に直接接してなる上部層との少なくとも二層を有し、前記硬質被覆層の全平均層厚は、0.6~21.0μmであり、
(b)前記下部層は、Tiの窒化物もしくは炭窒化物からなり、その平均層厚は、0.05~2.0μmであり、
(c)前記上部層は、AlとTiとの複合窒化物層または複合炭窒化物を含む層であり、その平均層厚は、0.5~20.0μmであり、
組成式:(AlTi1-X)(C1-Y)で表した場合、前記複合窒化物層または前記複合炭窒化物層のTiとAlとの合量に対してAlが占める平均含有割合Xavgおよび前記複合窒化物または前記複合炭窒化物層のCとNの合量に対してCが占める平均含有割合Yavg(但し、Xavg、Yavg はいずれも原子比)が、それぞれ、0.70≦Xavg≦0.90、0≦Yavg<0.05を満足し、NaCl型の面心立方晶構造を有する複合窒化物層または複合炭窒化物層からなり、
(d)表面被覆工具の切れ刃逃げ面の炭化タングステン基超硬合金の残留応力をS1、すくい面の残留応力S2としたとき、
α)S1<S2
β)S1≦-200MPa
γ)S1とS2の差の絶対値が250より大きいこと
をそれぞれ満たすことを特徴とする表面被覆切削工具。
A surface-coated cutting tool having a hard coating layer on the surface of a tool substrate made of a tungsten carbide-based cemented carbide,
(a) The hard coating layer has at least two layers, a lower layer in direct contact with the outermost surface of the tool substrate and an upper layer in direct contact with the lower layer, and the total average layer of the hard coating layer The thickness is 0.6 to 21.0 μm,
(b) the lower layer is made of Ti nitride or carbonitride and has an average layer thickness of 0.05 to 2.0 μm;
(c) the upper layer is a composite nitride layer of Al and Ti or a layer containing a composite carbonitride, and has an average layer thickness of 0.5 to 20.0 μm;
When represented by the composition formula: (Al X Ti 1-X ) (C Y N 1-Y ), Al accounts for the total amount of Ti and Al in the composite nitride layer or the composite carbonitride layer The average content ratio X avg and the average content ratio Y avg of C with respect to the total amount of C and N in the composite nitride or the composite carbonitride layer (wherein both X avg and Y avg are atomic ratios) , respectively satisfying 0.70 ≤ X avg ≤ 0.90 and 0 ≤ Y avg < 0.05, composed of a composite nitride layer or a composite carbonitride layer having a NaCl-type face-centered cubic crystal structure,
(d) When the residual stress of the tungsten carbide-based cemented carbide on the cutting edge flank of the surface-coated tool is S1 and the residual stress on the rake face is S2,
α) S1<S2
β) S1≤-200MPa
γ) A surface-coated cutting tool, wherein the absolute value of the difference between S1 and S2 is greater than 250.
前記上部層において、X線回折を行った際に、立方晶(111)面の回折線強度値に対する立方晶(200)面における回折線強度値、I(111)/I(200)が、
1.0≦I(111)/I(200)の関係を満たすことを特徴とする請求項1に記載された表面被覆切削工具。
When X-ray diffraction is performed on the upper layer, the diffraction line intensity value in the cubic crystal (200) plane with respect to the diffraction line intensity value in the cubic crystal (111) plane, I(111)/I(200), is
2. The surface-coated cutting tool according to claim 1, which satisfies the relationship 1.0≤I(111)/I(200).
(3)表面被覆工具の切れ刃逃げ面の炭化タングステン基超硬合金の残留応力S1、すくい面の残留応力S2としたとき、
α)S1<S2
β)S1≦-850MPa
γ)S1とS2の差の絶対値が500より大きいこと
をそれぞれ満たす請求項1または請求項2に記載された表面被覆切削工具。
(3) When the residual stress S1 of the tungsten carbide-based cemented carbide on the cutting edge flank of the surface-coated tool and the residual stress S2 on the rake face are
α) S1<S2
β) S1≤-850MPa
γ) The surface-coated cutting tool according to claim 1 or claim 2, wherein the absolute value of the difference between S1 and S2 is greater than 500, respectively.
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