JP2019098471A - Surface-coated cutting tool - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、Ｔｉ基合金などの難削材の切削加工において、硬質被覆層がすぐれた潤滑性を備え、溶着、チッピング等の発生を抑制し、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮する表面被覆切削工具（以下、被覆工具という）に関するものである。 The present invention is a surface that provides excellent lubricity with a hard coating layer, suppresses the occurrence of welding, chipping, and the like in cutting of difficult-to-cut materials such as Ti-based alloys, and exhibits excellent cutting performance over long-term use. The present invention relates to a coated cutting tool (hereinafter referred to as a coated tool).
一般に、被覆工具として、各種の鋼や鋳鉄などの被削材の旋削加工や平削り加工にバイトの先端部に着脱自在に取り付けて用いられるスローアウエイチップ、前記被削材の穴あけ切削加工などに用いられるドリルやミニチュアドリル、前記被削材の面削加工や溝加工、肩加工などに用いられるエンドミル、前記被削材の歯形の歯切加工などに用いられるソリッドホブ、ピニオンカッタなどが知られている。
そして、被覆工具の切削性能改善を目的として、従来から、数多くの提案がなされている。
In general, slow-away tips used as a coated tool to be removably attached to the tip of a cutting tool for turning or planing various work materials such as steel and cast iron, and drilling and cutting of the work material, etc. Known drills and miniature drills used, end mills used for facing and grooving of the work material, shoulder work, etc. Solid hob and pinion cutters used for cutting teeth of the work material and the like are known. There is.
And in order to improve the cutting performance of a coated tool, many proposals have been made conventionally.
例えば、特許文献１に示すように、超硬合金または高速度工具鋼の表面に、ＡｌとＸ（Ｘ：Ｃｒ、Ｖ、Ｍｇの一種）の複合窒化物、複合炭化物、複合ホウ化物、複合炭窒化物、複合ホウ窒化物、複合炭ホウ化物または複合炭窒ホウ化物よりなり、ＡｌとＸの組成が、（Ａｌ１−ｙＸｙ）［但し、Ｘ：Ｃｒ、Ｖ、Ｍｇの一種０＜ｙ≦０．３］で示される組成からなる硬質皮膜を形成することにより、切削加工工具等の耐摩耗性を高めることが提案されており、例えば、ＡｌとＣｒの複合ホウ窒化物からなる硬質皮膜が、Ｓ４５Ｃ、ＳＫＤ１１の切削加工においてすぐれた耐摩耗性を示すことが開示されている。 For example, as shown in Patent Document 1, a composite nitride of Al and X (a kind of X: Cr, V, Mg), a composite carbide, a composite boride, and a composite carbon on the surface of a cemented carbide or high speed tool steel. Consisting of a nitride, a composite boronitride, a composite carboboride or a composite carbonitride boride, and the composition of Al and X is (Al 1-y X y ) [wherein X: a kind of 0: Cr, V, Mg 0 < It has been proposed to improve the wear resistance of cutting tools etc. by forming a hard film having the composition shown by y ≦ 0.3], for example, a hard consisting of a composite boronitride of Al and Cr. It is disclosed that the film exhibits excellent wear resistance in cutting of S45C and SKD11.
また、特許文献２には、耐摩耗性および耐酸化性に優れた硬質皮膜として、（Ａｌａ，Ｍｂ，Ｓｉｃ，Ｂｄ，Ｃｒ１−ａ−ｂ−ｃ−ｄ）（Ｃ１−ｅＮｅ）からなる硬質皮膜が提案されており（但し、ＭはＷ及び／又はＭｏであって、０．２５≦ａ≦０．６５、０．０５≦ｂ≦０．３５、０．０１≦ｃ＋ｄ≦０．２、０．５≦ｅ≦１（但し、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅは原子比）が提案されており、この硬質膜において、元素Ｍとして示すＷ及び／又はＭｏ、更にはＳｉ及び／又はＢを添加することによって、耐酸化性を高め得ると共に膜の硬度が向上するため、ＳＫＤ６１（ＨＲＣ５０）、ＳＫＤ１１（ＨＲＣ６０）等の高速切削や高硬度鋼の切削で優れた切削性能を発揮し、かつ長寿命となることが開示されている。 Further, in Patent Document 2, as a hard film excellent in wear resistance and oxidation resistance, (Al a , M b , S i c , B d , Cr 1 -ab c d ) (C 1- A hard coating consisting of e N e ) has been proposed (where M is W and / or Mo) and 0.25 ≦ a ≦ 0.65, 0.05 ≦ b ≦ 0.35, 0.01 ≦ c + d ≦ 0.2, 0.5 ≦ e ≦ 1 (where a, b, c, d and e are atomic ratios) have been proposed, and in this hard film, W and / or Mo shown as element M Furthermore, by adding Si and / or B, the oxidation resistance can be enhanced and the hardness of the film is improved, so it is excellent in high-speed cutting such as SKD61 (HRC50), SKD11 (HRC60) and cutting of high hardness steel. It is disclosed that it exhibits excellent cutting performance and long life.
さらに、特許文献３には、工具鋼及び硬質金属等からなる基体の表面上に、少なくとも、組成（ＡｌａＭｇｂＣｒｃＭｅｄＢｅＡＸｍＳｉｋ）α［ＮｕＣｖＯｗ］βを有する硬質層を設けた工具〔ここで、（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｍ＋ｋ）＝α、（ｕ＋ｖ＋ｗ）＝β、及び（α＋β）＝１００、４０≦α≦６０、であり、Ｍｅは、化学元素周期表の、
−Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ；
からなる化学元素群の少なくとも一種類の元素であり、ＡＸが、元素周期表の、
− Ｈ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｆｒ；及び
− Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ；及び
− Ｍｎ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ａｃ；及び
− ランタノイド系の元素；
からなる化学元素群の少なくとも一種類の元素であり、０．００４≦ｍ＜６０、及び０．４≦ａ≦５８、及び０．０４≦ｂ≦１２、及び１８≦ｃ≦４２、４≦ｄ≦５４、ｋは最大で２４である〕が提案されている。
そして、特に、段落００２１には、アルミニウム（Ａｌ）の割合を０．４≦ａ≦５８に限定し、同時にマグネシウム（Ｍｇ）の割合を０．０４≦ｂ≦１２に限定し、クロム（Ｃｒ）の割合を、１８≦ｃ≦４２に限定することにより、硬質膜についての硬度、残留圧縮応力、耐酸化性、及び１２００℃以上までの温度での相安定性が著しく改良されると記載されている。
Further, Patent Document 3, on the surface of the substrate made of tool steel and hard metal or the like, at least, the composition (Al a Mg b Cr c Me d B e AX m Si k) α [N u C v O w] A tool provided with a hard layer having β [where, (a + b + c + d + e + m + k) = α, (u + v + w) = β, and (α + β) = 100, 40 ≦ α ≦ 60, Me is a chemical element periodic table,
-Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W;
And at least one element of the chemical element group consisting of
-H, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr; and -Be, Ca, Sr, Ba; and-Mn, Tc, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt , Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, Sc, Y, La, Ac; and-elements of lanthanoid series;
At least one element of the chemical element group consisting of: 0.004 ≦ m <60, and 0.4 ≦ a ≦ 58, and 0.04 ≦ b ≦ 12, and 18 ≦ c ≦ 42, 4 ≦ d ≦ 54, k is at most 24] has been proposed.
And, in particular, in paragraph 0021, the ratio of aluminum (Al) is limited to 0.4 ≦ a ≦ 58, and at the same time the ratio of magnesium (Mg) is limited to 0.04 ≦ b ≦ 12, and chromium (Cr) It is stated that limiting the ratio of to 18 ≦ c ≦ 42 significantly improves the hardness, residual compressive stress, oxidation resistance, and phase stability at temperatures up to 1200 ° C. or more for hard films. There is.
近年の切削加工装置のＦＡ化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴い、切削加工はますます高速化・高能率化する傾向にあるとともに、できるだけ多くの材種の被削材の切削加工が可能となるような汎用性のある切削工具が求められる傾向にある。
前記特許文献１〜３で提案されている従来被覆工具においては、これを、炭素鋼や合金鋼などの通常の切削条件での切削加工に用いた場合には、特段の問題は生じないが、Ｔｉ基合金などの難削材の切削加工に用いた場合には、切削時の発熱によって被削材および切粉は高温に加熱されて粘性が増大し、これに伴って、被覆工具の硬質被覆層表面に対する溶着性が一段と増すようになり、その結果、切刃部における溶着、チッピングの発生が急激に増加し、これが原因で比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
In recent years, FA equipment for cutting equipment has been remarkable, while demands for labor saving, energy saving and cost reduction have been strong. Along with this, cutting processing tends to become faster and more efficient. At the same time, there is a tendency to demand a versatile cutting tool that can cut as many kinds of work materials as possible.
In the conventional coated tools proposed in the above-mentioned Patent Documents 1 to 3, no particular problem occurs when this is used for cutting under normal cutting conditions such as carbon steel and alloy steel, When used for cutting of difficult-to-cut materials such as Ti-based alloys, the work material and chips are heated to a high temperature by heat generation during cutting to increase the viscosity, and accordingly, the hard coating of the coated tool The adhesion to the surface of the layer is further increased, and as a result, the occurrence of welding and chipping at the cutting edge increases rapidly, and as a result, the service life is reached in a relatively short time.
そこで、本発明は、Ｔｉ基合金などの難削材の高熱発生をともなう切削加工において、溶着の発生とともにチッピングの発生を抑制し、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮する被覆工具を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention provides a coated tool which suppresses chipping as well as welding and generates excellent cutting performance over long-term use in cutting with high heat generation of difficult-to-cut materials such as Ti-based alloys. The purpose is
本発明者等は、上述の観点から、Ｔｉ基合金などの難削材の高能率切削加工条件で、硬質被覆層がすぐれた潤滑性を備え、これにより、すぐれた耐溶着性、耐チッピング性を発揮する被覆工具を開発すべく、硬質被覆層を構成する成分系に着目し鋭意研究を行った結果、次のような知見を得た。
炭化タングステン基超硬合金、炭窒化チタン基サーメット、立方晶窒化硼素焼結体あるいは高速度工具鋼等からなる工具基体の表面に、ＡｌとＣｒの複合窒化物層からなる硬質被覆層を設けた被覆工具は、高温硬さと耐酸化性を備えることから耐摩耗性にすぐれる被覆工具としてよく知られている。
本発明者らは、前記ＡｌとＣｒの複合窒化物層からなる硬質被覆層を被覆した被覆工具において、切削加工時の硬質被覆層の潤滑性を高め、被削材と硬質被覆層とが潤滑膜を介して接触するようにすることで、熱伝導率が低く、工具材料との化学親和性の高い被削材であるＴｉ基合金などの難削材への切削工具としての適用性を高めることができ、その結果、Ｔｉ基合金などの難削材の高能率切削加工において、溶着、チッピング等の発生を防止することができるとともに、長期の使用にわたって、すぐれた耐摩耗性を発揮する被覆工具を得られることを見出した。
From the above viewpoints, the inventors of the present invention have excellent lubricity with an excellent hard coating layer under high-efficiency cutting conditions of difficult-to-cut materials such as Ti-based alloys, thereby providing excellent welding resistance and chipping resistance. The following findings were obtained as a result of earnestly research focusing on the component system that constitutes the hard coating layer in order to develop a coated tool that exerts
A hard coating layer consisting of a composite nitride layer of Al and Cr is provided on the surface of a tool base consisting of tungsten carbide base cemented carbide, titanium carbonitride base cermet, cubic boron nitride sintered body or high speed tool steel etc. Coated tools are well known as coated tools that are excellent in abrasion resistance because they have high temperature hardness and oxidation resistance.
The inventors of the present invention, in the coated tool coated with a hard coating layer consisting of a composite nitride layer of Al and Cr, enhance the lubricity of the hard coating layer during cutting, and the work material and the hard coating layer are lubricated. By contacting through the film, the application as a cutting tool to low-heat materials such as Ti-based alloys, which have low thermal conductivity and high chemical affinity with the tool material, is enhanced. As a result, in high-efficiency cutting of difficult-to-cut materials such as Ti-based alloys, the occurrence of welding, chipping, etc. can be prevented, and a coating that exhibits excellent wear resistance over long-term use I found that I could get a tool.
前記ＡｌとＣｒの複合窒化物層からなる硬質被覆層の潤滑性を高めるための具体的方策は、大略、次のとおりである。
まず、被削材であるＴｉ基合金への固溶度が低いＢを硬質被覆層構成成分として特定量含有させることにより、熱伝導率が低いＴｉ基合金の切削加工に際し、硬質被覆層が高温状態となって硬質被覆層表面が酸化した際、融点が約４５０℃の酸化硼素を形成し、これが切削加工時の発熱によって液化することで硬質被覆層表面に潤滑性を付与することができる。
さらに、硬質被覆層構成成分として特定量のＡｇあるいはさらに特定量のＷを含有させることによって、硬質被覆層が高温状態になった際に、前記酸化硼素に加えて、融点が約１００℃の酸化銀、あるいは、５５０℃以上で潤滑性を有するマグネリ相ＷｎＯ３ｎ−１を生成し、さらにマグネリ相は６８０℃で融点となるため(G.Gassner et al.「Surface & Cortings Technology」201 (2006) 3335 - 3341参照)、これらが切削加工時の発熱によって液化することで硬質被覆層表面に潤滑性を付与することができる。
このように、硬質被覆層表面で、融点あるいはマグネリ相の生成温度がそれぞれ異なる酸化物が低温から高温までの幅広い温度領域において、硬質被覆層表面に潤滑性を付与することができる。
The specific measures for improving the lubricity of the hard coating layer comprising the composite nitride layer of Al and Cr are generally as follows.
First, the hard coating layer has a high temperature when cutting a Ti-based alloy having a low thermal conductivity, by containing a specific amount of B having a low solid solubility in the Ti-based alloy as a material to be cut as a component of the hard coating layer. When the surface of the hard coating layer is oxidized in the state, boron oxide having a melting point of about 450 ° C. is formed and is liquefied by heat generation during cutting, whereby the surface of the hard coating layer can be provided with lubricity.
Furthermore, by adding a specific amount of Ag or a further specific amount of W as a hard coating layer constituent, when the hard coating layer is in a high temperature state, in addition to the boron oxide, an oxide having a melting point of about 100 ° C. Since silver or magnoli phase W n O 3 n-1 having lubricity at 550 ° C. or higher is formed and the magneli phase has a melting point at 680 ° C. (G. Gassner et al. “Surface & Cortings Technology” 201 ( 2006) 3335-3341), and by liquefying them by heat generation during cutting, it is possible to impart lubricity to the surface of the hard coating layer.
Thus, on the surface of the hard coating layer, the oxides having different melting points or formation temperatures of the magneli phase can impart lubricity to the surface of the hard coating layer in a wide temperature range from low temperature to high temperature.
つまり、本発明の被覆工具は、ＡｌとＣｒの複合窒化物層からなる硬質被覆層において、硬質被覆層構成成分として、ＢとＡｇを含有すること、あるいは、さらにＷを含有することにより、熱伝導率が低く、工具材料との化学親和性の高い被削材であるＴｉ基合金などの難削材の高能率切削加工において、すぐれた潤滑性を付与することによって耐溶着性および耐チッピング性を向上させ、その結果、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮することができるのである。 That is, the coated tool of the present invention is a hard coating layer consisting of a composite nitride layer of Al and Cr, and contains B and Ag as the hard coating layer components, or further contains W to obtain heat. Welding resistance and chipping resistance by providing excellent lubricity in high-efficiency cutting of difficult-to-cut materials such as Ti-based alloys, which have low conductivity and high chemical affinity with tool materials. As a result, excellent cutting performance can be exhibited over long-term use.
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、炭窒化チタン基サーメット、立方晶窒化硼素焼結体および高速度工具鋼のいずれかからなる工具基体の表面に、硬質被覆層が設けられた表面被覆切削工具において、
前記硬質被覆層は、少なくとも、ＡｌとＣｒとＢとＷとＡｇの複合窒化物層を含み、
前記複合窒化物を、
組成式：（ＡｌａＣｒ１−ａ−ｂ−ｃ−ｄＢｂＷｃＡｇｄ）Ｎ
で表したとき、０．４≦ａ≦０．８５、０．００５≦ｂ≦０．１、０≦ｃ≦０．１、
０．００５≦ｄ≦０．０５（ただし、ａ、ｂ、ｃ、ｄは、いずれも原子比）を満足することを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）前記組成式：（ＡｌａＣｒ１−ａ−ｂ−ｃ−ｄＢｂＷｃＡｇｄ）ＮにおけるＡｌの含有割合ａは、０．５５≦ａ≦０．６８を満足することを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
The present invention was made based on the above findings, and
“(1) Surface-coated cutting in which a hard coating layer is provided on the surface of a tool base consisting of any of tungsten carbide-based cemented carbide, titanium carbonitride-based cermet, cubic boron nitride sintered body and high-speed tool steel In the tool
The hard covering layer includes at least a composite nitride layer of Al, Cr, B, W, and Ag,
The compound nitride,
Compositional formula: (Al a Cr 1-abcd B b W c Ag d ) N
0.4 ≦ a ≦ 0.85, 0.005 ≦ b ≦ 0.1, 0 ≦ c ≦ 0.1,
A surface-coated cutting tool characterized by satisfying 0.005 ≦ d ≦ 0.05 (where a, b, c, d are all atomic ratios).
(2) the composition formula: (Al a Cr 1-a -b-c-d B b W c Ag d) the content a of Al in N is to satisfy 0.55 ≦ a ≦ 0.68 The surface-coated cutting tool according to (1), characterized in that "
It is characterized by
本発明について、以下に詳細を説明する。 The present invention will be described in detail below.
ＡｌとＣｒとＢとＷとＡｇの複合窒化物層の平均層厚：
本発明の硬質被覆層は、少なくとも、ＡｌとＣｒとＢとＷとＡｇの複合窒化物（以下、「（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ａｇ）Ｎ」で示す場合がある）層を含むが、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ａｇ）Ｎ層の平均層厚が０．５μｍ未満の場合には、長期の使用にわたって十分な耐摩耗性を発揮することができず、一方、平均層厚が１０μｍを超えると、チッピング、欠損等の異常損傷を発生する恐れがあるので、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ａｇ）Ｎ層の平均層厚は、０．５〜１０μｍとすることが望ましい。
Average layer thickness of the composite nitride layer of Al, Cr, B, W, and Ag:
The hard covering layer of the present invention includes at least a composite nitride of Al, Cr, B, W, and Ag (hereinafter, may be represented by “(Al, Cr, B, W, Ag) N”). When the average layer thickness of the (Al, Cr, B, W, Ag) N layer is less than 0.5 μm, sufficient wear resistance can not be exhibited over a long period of use, while the average layer thickness If the thickness exceeds 10 μm, there is a possibility that abnormal damage such as chipping or defects may occur. Therefore, the average layer thickness of the (Al, Cr, B, W, Ag) N layer is desirably 0.5 to 10 μm. .
（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ａｇ）Ｎ層の成分組成：
（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ａｇ）Ｎ層を構成する成分の組成を、
組成式：（ＡｌａＣｒ１−ａ−ｂ−ｃ−ｄＢｂＷｃＡｇｄ）Ｎ
で表したとき、０．４≦ａ≦０．８５（好ましくは、０．５５≦ａ≦０．６８）、０．００５≦ｂ≦０．１、０≦ｃ≦０．１、０．００５≦ｄ≦０．０５（ただし、ａ、ｂ、ｃ、ｄは、いずれも原子比）を満足することが必要であるが、これは次の理由による。
Component composition of (Al, Cr, B, W, Ag) N layer:
The composition of the components constituting the (Al, Cr, B, W, Ag) N layer is
Compositional formula: (Al a Cr 1-abcd B b W c Ag d ) N
When represented by 0.4 ≦ a ≦ 0.85 (preferably 0.55 ≦ a ≦ 0.68), 0.005 ≦ b ≦ 0.1, 0 ≦ c ≦ 0.1, 0.005 It is necessary to satisfy ≦ d ≦ 0.05 (where a, b, c and d are all atomic ratios), for the following reasons.
（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ａｇ）Ｎ層の主要構成成分であるＡｌ成分には、硬質被覆層における高温硬さを向上させる作用があり、特に、Ｃｒ成分を同時に含有する場合には、Ｃｒ成分が高温強度を向上させるとともに、ＣｒとＡｌの共存含有によって耐熱性を向上させる作用がある。
しかし、Ａｌ成分の含有割合ａが０．４未満では、Ａｌの含有割合が少なくなり過ぎて、所望のすぐれた高温硬さおよび耐熱性を確保することができず、一方、Ａｌ成分の含有割合ａが０．８５を超えると、Ｃｒの含有割合が少なくなりすぎて急激に高温強度が低下し、切刃にチッピング（微小欠け）などが発生し易くなるとともに、六方晶構造の相が生成され高温硬さも低下することから、Ａｌ成分の含有割合ａは、０．４≦ａ≦０．８５と定める。
なお、耐溶着性、耐チッピング性を維持しつつ、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮するためには、０．５５≦ａ≦０．６８を満足することが好ましい。
The Al component, which is the main component of the (Al, Cr, B, W, Ag) N layer, has the function of improving the high temperature hardness of the hard coating layer, and in particular, in the case of simultaneously containing a Cr component, The Cr component has the effect of improving the high temperature strength, and the function of improving the heat resistance by the coexistence of Cr and Al.
However, if the content ratio a of the Al component is less than 0.4, the content ratio of Al becomes too small, and the desired excellent high temperature hardness and heat resistance can not be ensured, while the content ratio of the Al component When a exceeds 0.85, the content ratio of Cr becomes too small and the high temperature strength decreases rapidly, and chipping (micro chipping) and the like are easily generated on the cutting edge, and a hexagonal crystal phase is generated. Since the high temperature hardness also decreases, the content ratio a of the Al component is set to 0.4 ≦ a ≦ 0.85.
In order to exhibit excellent wear resistance over long-term use while maintaining welding resistance and chipping resistance, it is preferable to satisfy 0.55 ≦ a ≦ 0.68.
（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ａｇ）Ｎ層中のＢ成分、Ａｇ成分およびＷ成分は、切削加工時の高熱発生により、いずれも酸化物を形成し、この酸化物が液化することにより硬質被覆層の潤滑性向上に寄与する。
そして、前記酸化物は、それぞれが異なる温度で液化し（酸化硼素は約４５０℃、酸化銀は約１００℃、酸化タングステンは約６８０℃でそれぞれ液化する）、また、５５０℃以上でＷの酸化物は潤滑性を有するマグネリ相を生成するため、切削加工に際して、低温から高温までの幅広い温度領域において、硬質被覆層表面に潤滑性を付与することができる。
ただ、Ｂ成分の含有割合ｂ及びＡｇの含有割合ｄが０．００５未満では、十分な酸化物が形成されないため潤滑性向上効果が十分ではない。
一方、Ｂ成分の含有割合ｂが０．１を超える場合には、脆化するため、チッピングが発生しやすくなる。
また、Ａｇの含有割合ｄが０．０５を超える場合には、硬さが低下する。
よって、Ｂ成分の含有割合ｂ及びＡｇの含有割合ｄは、０．００５≦ｂ≦０．１、０．００５≦ｄ≦０．０５とする。
The B component, the Ag component and the W component in the (Al, Cr, B, W, Ag) N layer all form an oxide due to high heat generation at the time of cutting, and the oxide liquefies hard It contributes to the improvement of the lubricity of the coating layer.
The oxides are liquefied at different temperatures (boron oxide is liquefied at about 450 ° C., silver oxide at about 100 ° C., tungsten oxide at about 680 ° C.), and oxidation of W at 550 ° C. or higher Since the substance generates a magnoli phase having lubricity, it can impart lubricity to the surface of the hard coating layer in a wide temperature range from low temperature to high temperature during cutting.
However, if the content ratio b of the B component and the content ratio d of Ag are less than 0.005, a sufficient oxide is not formed, and the effect of improving the lubricity is not sufficient.
On the other hand, when the content ratio b of the B component exceeds 0.1, it becomes brittle and chipping tends to occur.
In addition, when the content ratio d of Ag exceeds 0.05, the hardness decreases.
Therefore, the content ratio b of the B component and the content ratio d of Ag are set as 0.005 ≦ b ≦ 0.1 and 0.005 ≦ d ≦ 0.05.
また、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ａｇ）Ｎ層中に、構成成分としてのＷ成分をさらに含有させた場合には、タングステン酸化物が潤滑性を有するマグネリ相を生成し、さらに、その液化による前述した硬質被覆層の潤滑性向上効果がある。
ただ、Ｗ成分の含有割合ｃが０．１を超えると、硬質被覆層の硬さは低下し、耐摩耗性が低下することから、Ｗ成分の含有割合ｃは、０≦ｃ≦０．１とする。
When the W component as a component is further contained in the (Al, Cr, B, W, Ag) N layer, the tungsten oxide forms a magnoli phase having lubricity, and further, There is an effect of improving the lubricity of the aforementioned hard coating layer by liquefaction.
However, when the content ratio c of the W component exceeds 0.1, the hardness of the hard coating layer decreases and the wear resistance decreases, so the content ratio c of the W component is 0 ≦ c ≦ 0.1. I assume.
前記（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ａｇ）Ｎ層において、該層を構成する成分の総量に占めるＮ成分の含有割合（原子比）は、化学量論比である０．５０には限定されず、これと同等な効果が得られる範囲、例えば、０．４０以上０．６０以下の範囲であればよい。 In the (Al, Cr, B, W, Ag) N layer, the content ratio (atomic ratio) of the N component to the total amount of components constituting the layer is limited to 0.50 which is the stoichiometric ratio However, it is sufficient if the range equivalent to this is obtained, for example, the range of 0.40 or more and 0.60 or less.
なお、前記した特許文献３（特許第５４１９３９３号公報）においては、本発明と類似する成分組成の硬質被覆層（組成式で表した場合、（ＡｌａＭｇｂＣｒｃＭｅｄＢｅＡＸｍＳｉｋ）α［ＮｕＣｖＯｗ］β）が開示されているが、特許文献３では、該層の硬度、残留圧縮応力、耐酸化性、相安定性を目的として、本発明では添加しないＭｇの添加含有を必須としており、同時に、Ａｌの含有割合を０．４〜５８、Ｃｒの含有割合を１８〜４２とし、同時にＭｇの含有割合を０．０４〜１２と定めることを必須の要件としている。
しかし、Ｔｉ基合金等の難削材の高能率切削加工において、前記特許文献３に開示されているＭｇを含有する硬質被覆層を被覆形成した被覆工具を用いると、切削加工時の高熱により生成した酸化マグネシウム（ＭｇＯの融点約２８５０℃）と、被削材であるＴｉ基合金の酸化によって生じた酸化チタン（ＴｉＯ２の融点約１８５０℃）との摩擦係数が大きいために、硬質被覆層の潤滑性向上を図ることができないばかりか、摩擦によって硬質被覆層が損傷を受け、チッピング、欠損、剥離等が発生しやすくなるため、工具寿命はむしろ短命化する。
したがって、本発明の硬質被覆層は、酸化マグネシウムの生成等による硬質被覆層の損傷を防止し、工具の長寿命化を図るために、その構成成分としてのＭｇ含有を避けなければならない。
Incidentally, in Patent Document 3 described above (Japanese Patent No. 5419393), when expressed in a hard coating layer (composition formula component composition similar to the present invention, (Al a Mg b Cr c Me d B e AX m Si k ) α [N u C v O w ] β) is disclosed, but in Patent Document 3, it is not added in the present invention for the purpose of the hardness, residual compressive stress, oxidation resistance and phase stability of the layer. Addition of Mg is essential, and at the same time, it is essential to set the content of Al to 0.4 to 58, the content of Cr to 18 to 42, and at the same time to define the content of Mg as 0.04 to 12 And
However, in high-efficiency cutting of difficult-to-cut materials such as Ti-based alloys, when using a coated tool coated with a hard covering layer containing Mg disclosed in Patent Document 3 above, it is generated due to high heat during cutting. Of the hard cover layer due to the large friction coefficient between the magnesium oxide (MgO melting point about 2850 ° C) and the titanium oxide (TiO 2 melting point about 1850 ° C) produced by the oxidation of the Ti-based alloy which is the work material Not only improvement in lubricity can not be achieved, but also the hard coating layer is damaged by friction and chipping, chipping, peeling and the like are likely to occur, so the tool life is rather shortened.
Therefore, in order to prevent damage to the hard coating layer due to the formation of magnesium oxide and the like and to prolong the life of the tool, the hard coating layer of the present invention must avoid the Mg content as a component thereof.
前記した本発明の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ａｇ）Ｎ層は、例えば、物理蒸着法の一種である図１に示すアークイオンプレーティング（以下、「ＡＩＰ」で示す。）装置を用いて成膜することができる。
（ａ）まず、炭化タングステン基超硬合金、炭窒化チタン基サーメット、立方晶窒化硼素焼結体または高速度工具鋼のいずれかで構成された工具基体を洗浄・乾燥した状態で、ＡＩＰ装置内の回転テーブル上の中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に外周部にそって装着する。
（ｂ）装置内を排気して１０−２Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を５００℃に加熱した後、０．５〜２．０ＰａのＡｒガス雰囲気に設定し、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−２００〜−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、もって工具基体表面をアルゴンイオンによって５〜３０分間ボンバード処理する。
（ｃ）ついで、装置内を１０−２Ｐａ以下の真空に保持しながら、また、ヒーターで装置内を、６２０℃〜６５０℃の温度に維持する。次いで、装置内に配置した所定組成のＡｌ−Ｃｒ−Ｂ−Ｗ−Ａｇ合金からなるカソード電極（蒸発源）とアノード電極の間に、例えば、電流：１１０Ａの条件でアーク放電を発生させ、同時に装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して、例えば、３Ｐａの反応雰囲気とし、一方、前記工具基体には、例えば、−５０Ｖのバイアス電圧を印加した条件で蒸着することにより、前記工具基体の表面に、目標組成、目標平均層厚の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ａｇ）Ｎ層を形成する。
上記工程（ａ）〜（ｃ）により、本発明の被覆工具を作製することができる。
The (Al, Cr, B, W, Ag) N layer of the present invention described above uses, for example, an arc ion plating (hereinafter referred to as “AIP”) apparatus shown in FIG. 1 which is a type of physical vapor deposition. Film formation can be performed.
(A) First, inside the AIP device with the tool substrate made of tungsten carbide base cemented carbide, titanium carbonitride base cermet, cubic boron nitride sintered body or high speed tool steel cleaned and dried The rotary table is mounted along the outer circumference at a position radially spaced from the central axis by a predetermined distance.
(B) The inside of the apparatus is heated to 500 ° C. with a heater while exhausting the inside of the apparatus and maintaining the vacuum at 10 −2 Pa or less, and then the atmosphere of Ar gas of 0.5 to 2.0 Pa is set, A DC bias voltage of -200 to -1000 V is applied to a tool base rotating on a table while rotating, and the tool base surface is bombarded with argon ions for 5 to 30 minutes.
(C) Then, while maintaining the inside of the apparatus at a vacuum of 10 −2 Pa or less, the inside of the apparatus is maintained at a temperature of 620 ° C. to 650 ° C. with a heater. Next, an arc discharge is generated between the cathode electrode (evaporation source) made of an Al-Cr-B-W-Ag alloy of a predetermined composition and the anode electrode disposed in the device under the condition of, for example, a current of 110 A. Nitrogen gas is introduced into the apparatus as a reaction gas to make a reaction atmosphere of, for example, 3 Pa, while the tool substrate is vapor deposited under a condition that a bias voltage of, for example, -50 V is applied. On the surface, an (Al, Cr, B, W, Ag) N layer of a target composition and a target average layer thickness is formed.
The coated tool of the present invention can be produced by the above steps (a) to (c).
本発明の被覆工具は、熱伝導率が低く、かつ、工具材料との化学親和性の高い被削材であるＴｉ基合金などの難削材の高能率切削加工に供した場合、硬質被覆層の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ａｇ）Ｎ層が、低温から高温までの幅広い温度領域において、すぐれた潤滑性を有することから、溶着、チッピング等の発生を抑制することができるとともに、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮する。 The coated tool of the present invention has a low thermal conductivity, and when used for high-efficiency cutting of difficult-to-cut materials such as Ti-based alloys, which are work materials having high chemical affinity with the tool material (Al, Cr, B, W, Ag) N layer has excellent lubricity in a wide temperature range from low temperature to high temperature, so it is possible to suppress the occurrence of welding, chipping, etc. Demonstrates excellent cutting performance over the use of
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。
以下の実施例では、本発明の被覆工具をフライス加工で使用した場合について説明するが、旋削加工、ドリル加工等で用いることを何ら排除するものではない。
また、工具基体としては、ＷＣ基超硬合金を用いた場合について説明するが、ＴｉＣＮ基サーメット、立方晶窒化硼素焼結体、高速度工具鋼を工具基体として用いた場合であっても同様の効果が得られる。
Below, an Example demonstrates the coating tool of this invention concretely.
In the following examples, the case where the coated tool of the present invention is used in milling is described, but the use in turning, drilling, etc. is not excluded at all.
Although the case where WC base cemented carbide is used as the tool base will be described, the same is true even when TiCN base cermet, cubic boron nitride sintered body, and high speed tool steel are used as the tool base. An effect is obtained.
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、Ｃｒ3Ｃ2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ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＥＮのインサート形状をもったＷＣ基超硬合金工具基体を製造した。 Prepare WC powder, Cr 3 C 2 powder and Co powder all having an average particle diameter of 1 to 3 μm as raw material powders, mix these raw material powders with the composition shown in Table 1, and add wax. Ball mill mixed in acetone for 24 hours, dried under reduced pressure, press-formed into a green compact of a predetermined shape at a pressure of 98 MPa, and press-molded this green compact in a vacuum of 5 Pa at a predetermined temperature in the range of 1370 ° -1470 ° C. Vacuum sintering was carried out at temperature for 1 hour, and after sintering, a WC-based cemented carbide tool base having an insert shape of ISO standard SEEN 1203 AFEN was manufactured.
（ａ）これらの工具基体を、ＡＩＰ装置の回転テーブル上の中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に外周部にそって装着し、ＡＩＰ装置内に所定組成のＡｌ−Ｃｒ−Ｂ−Ｗ−Ａｇ合金からなるターゲット（カソード電極）を配置し、
（ｂ）まず、装置内を排気して真空に保持しながら、ヒーターで工具基体を５００℃に加熱した後、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加して、工具基体表面をアルゴンイオンによって５〜３０分間ボンバード洗浄し、
（ｃ）ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して表２に示す窒素圧とし、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体の温度を表２に示す温度範囲内に維持するとともに表２に示す直流バイアス電圧を印加し、かつ前記Ａｌ−Ｃｒ−Ｂ−Ｗ−Ａｇ合金ターゲットとアノード電極との間に表２に示すアーク電流を流してアーク放電を発生させて（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ａｇ）Ｎ層を蒸着形成することにより、表３に示す硬質被覆層を備えた本発明被覆工具（以下、本発明工具という）１〜７を作製した。
(A) The tool substrates are mounted along the outer peripheral portion at a predetermined distance in the radial direction from the central axis on the rotary table of the AIP device, and Al-Cr-B-W of the predetermined composition in the AIP device Placing a target (cathode electrode) made of an Ag alloy,
(B) First, the tool substrate is heated to 500 ° C. with a heater while exhausting the inside of the apparatus and maintaining vacuum, and then a DC bias voltage of -1000 V is applied to the tool substrate rotating while rotating on the rotary table. Bombard the tool substrate surface with argon ions for 5 to 30 minutes,
(C) Next, introduce nitrogen gas as a reaction gas into the apparatus to make the nitrogen pressure shown in Table 2 and maintain the temperature of the tool base rotating while rotating on the rotary table within the temperature range shown in Table 2 Together with applying a direct current bias voltage shown in Table 2 and flowing an arc current shown in Table 2 between the Al-Cr-B-W-Ag alloy target and the anode electrode to generate an arc discharge (Al, By depositing Cr, B, W, Ag) N layers, coated tools of the present invention (hereinafter referred to as tools of the present invention) 1 to 7 provided with hard coating layers shown in Table 3 were produced.
前記本発明工具１〜７の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ａｇ）Ｎ層について、工具基体表面に垂直な各層断面の組成分析を、透過型電子顕微鏡−エネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＴＥＭ−ＥＤＳ）を用いて行った。
即ち、本発明工具１〜７の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ａｇ）Ｎ層について、工具基体表面と平行方向に２０μｍの観察範囲において、上部層縦断面に対して０．０１μｍ以下の空間分解能の元素マッピングを行い、被覆した（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ａｇ）Ｎ層の組成を測定した。
さらに、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ａｇ）Ｎ層の平均層厚を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて測定した。
表３に、これらの測定値をそれぞれ示す。
Regarding the (Al, Cr, B, W, Ag) N layers of the tools 1 to 7 of the present invention, the compositional analysis of the cross section of each layer perpendicular to the surface of the tool base is a transmission electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy (TEM) -EDS).
That is, for the (Al, Cr, B, W, Ag) N layers of the inventive tools 1 to 7, a space of 0.01 μm or less with respect to the upper layer longitudinal cross section in the observation range of 20 μm parallel to the tool substrate surface. Elemental mapping of resolution was performed to measure the composition of the coated (Al, Cr, B, W, Ag) N layer.
Furthermore, the average layer thickness of the (Al, Cr, B, W, Ag) N layer was measured using a scanning electron microscope (SEM).
These measured values are shown in Table 3 respectively.
次に、比較の目的で、前記ＡＩＰ装置を用いて、工具基体の表面に、実施例１の前記工程（ａ）〜（ｃ）と同様にして、表４に示す条件で蒸着形成することにより、表５に示す組成および目標平均層厚の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ａｇ）Ｎ層を備えた比較被覆工具（以下、比較工具という）１〜７を作製した。
また、参考のために、前記特許文献３に示される成分組成を満足する硬質被覆層（具体的には、（Ａｌ，Ｍｇ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ａｇ）Ｎ層）をアークイオンプレーティング法で形成した従来被覆工具（以下、従来工具という）を作製した。
Next, for the purpose of comparison, the AIP apparatus is used to deposit on the surface of the tool base in the same manner as in steps (a) to (c) of Example 1 under the conditions shown in Table 4. Comparative coated tools (hereinafter referred to as comparative tools) 1 to 7 provided with (Al, Cr, B, W, Ag) N layers having the compositions and target average layer thicknesses shown in Table 5 were produced.
In addition, for reference, a hard coating layer (specifically, (Al, Mg, Cr, B, W, Ag) N layer) satisfying the component composition shown in the above-mentioned Patent Document 3 by arc ion plating method A conventional coated tool (hereinafter referred to as a conventional tool) formed in
比較工具１〜７について、実施例１の場合と同様な方法で、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ａｇ）Ｎ層の組成分析を行うとともに、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ａｇ）Ｎ層の平均層厚を測定した。
また、従来工具についても、硬質被覆層の組成分析、平均層厚の測定を行った。
表５に、これらの値をそれぞれ示す。
The composition analysis of the (Al, Cr, B, W, Ag) N layer is performed on the comparative tools 1 to 7 in the same manner as in Example 1, and (Al, Cr, B, W, Ag) N The average layer thickness of the layer was measured.
Moreover, also about the conventional tool, the composition analysis of the hard coating layer and the measurement of the average layer thickness were performed.
Table 5 shows these values respectively.
ついで、前記本発明工具１〜７、比較工具１〜７および従来工具を、
断続切削の一種である湿式正面フライス、センターカット切削加工試験を実施し、切れ刃の損傷状況を観察した。
切削試験：湿式正面フライス、センターカット切削加工、
被削材：ＪＩＳ・Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金(６０種) ブロック材
幅６０ｍｍ、長さ２５０ｍｍ、
カッタ径：８５ｍｍ、
切削速度：６４ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：３ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１４分、
表６に、前記切削試験の結果を示す。
Then, according to the present invention tools 1 to 7, comparative tools 1 to 7 and a conventional tool,
A wet face milling cutter, which is a type of intermittent cutting, and a center cut cutting test were conducted to observe the state of damage to the cutting edge.
Cutting test: wet face milling, center cut cutting,
Work material: JIS · Ti-6Al-4V alloy (60 types) Block material width 60mm, length 250mm,
Cutter diameter: 85 mm,
Cutting speed: 64 m / min. ,
Cut: 3 mm,
Feeding: 0.3 mm / rev. ,
Cutting time: 14 minutes,
Table 6 shows the results of the cutting test.
表６に示される結果から、本発明工具１〜７は、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ａｇ）Ｎ層からなる硬質被覆層がすぐれた潤滑性を備えるため、Ｔｉ基合金の高能率切削においてすぐれた耐溶着性、耐チッピング性を示すとともに、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮する。
これに対して、比較工具１〜７は、硬質被覆層の潤滑性が十分でないため、溶着、チッピング発生によって、工具寿命が短命である。
また、従来工具は、必須の成分としてＭｇを含有しているため、切削初期段階で切削抵抗が増加し、欠損に至った。
From the results shown in Table 6, according to the tools of the present invention 1 to 7, high efficiency cutting of Ti-based alloy is achieved because the hard coating layer consisting of (Al, Cr, B, W, Ag) N layer has excellent lubricity. In addition to excellent welding resistance and chipping resistance, it exhibits excellent cutting performance over long-term use.
On the other hand, the comparative tools 1 to 7 have a short tool life due to the occurrence of welding and chipping because the lubricity of the hard coating layer is not sufficient.
Further, since the conventional tool contains Mg as an essential component, the cutting resistance increases at the initial stage of cutting, leading to breakage.
本発明の被覆工具は、Ｔｉ基合金等の難削材の高能率切削加工においてすぐれた耐溶着性、耐チッピング性を発揮し、使用寿命の延命化を可能とするものであるが、他の被削材の切削加工、他の条件での切削加工で使用することも勿論可能である。
The coated tool of the present invention exhibits excellent adhesion resistance and chipping resistance in high-efficiency cutting of difficult-to-cut materials such as Ti-based alloys, and enables prolongation of service life, but the other Of course, it is also possible to use for cutting of a work material and cutting under other conditions.
Claims (2)
前記硬質被覆層は、少なくとも、ＡｌとＣｒとＢとＷとＡｇの複合窒化物層を含み、
前記複合窒化物を、
組成式：（ＡｌａＣｒ１−ａ−ｂ−ｃ−ｄＢｂＷｃＡｇｄ）Ｎ
で表したとき、０．４≦ａ≦０．８５、０．００５≦ｂ≦０．１、０≦ｃ≦０．１、
０．００５≦ｄ≦０．０５（ただし、ａ、ｂ、ｃ、ｄは、いずれも原子比）を満足することを特徴とする表面被覆切削工具。 In a surface-coated cutting tool in which a hard coating layer is provided on the surface of a tool base consisting of any of tungsten carbide base cemented carbide, titanium carbonitride base cermet, cubic boron nitride sintered body and high speed tool steel,
The hard covering layer includes at least a composite nitride layer of Al, Cr, B, W, and Ag,
The compound nitride,
Compositional formula: (Al a Cr 1-abcd B b W c Ag d ) N
0.4 ≦ a ≦ 0.85, 0.005 ≦ b ≦ 0.1, 0 ≦ c ≦ 0.1,
A surface-coated cutting tool characterized by satisfying 0.005 ≦ d ≦ 0.05 (where a, b, c, d are all atomic ratios).
The a representing the content ratio of Al in the above composition formula: (Al aCr 1-ab c B d B b W c Ag d ) N is characterized by satisfying 0.55 ≦ a ≦ 0.68. The surface coated cutting tool according to claim 1.
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