JP2019171531A - Surface-coated cutting tool excellent in thermal crack resistance and chipping resistance - Google Patents
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Abstract
【課題】硬質被覆層が、すぐれた耐熱亀裂性および耐チッピング性を兼ね備え、工具寿命の向上をもたらす、ステンレス鋼の転削加工用の表面被覆切削工具を提供する。【解決手段】(a)硬質被覆層は合計平均層厚0.5〜7.0μm、下部層、上部層の二層を有し、(b)下部層の平均総膜厚は0.3〜4.0μm、工具基体の表面側から立方晶単相組織であるTiN層、AlTiN層が交互積層された多層被覆層、AlTiN層は組成式AlxTi1−xN、x(原子比)は平均組成0.40≦x≦0.70を満足し、各TiN層、各AlTiN層の平均層厚は3〜30nm、(c)上部層の平均層厚は0.2〜3.0μm、立方晶相組織とh−AlN六方晶相組織との混相組織、全体組成は組成式AlzTi1-zN、z(原子比)は平均組成0.40≦z≦0.70を満足し、上部層の工具基体表面に対する垂直断面にて、六方晶相組織が占める面積割合は3〜30%である。【選択図】図1The present invention provides a surface-coated cutting tool for rolling of stainless steel, in which a hard coating layer has both excellent heat crack resistance and chipping resistance and improves tool life. (A) The hard coating layer has a total average layer thickness of 0.5 to 7.0 μm, and has two layers of a lower layer and an upper layer, and (b) the average total thickness of the lower layer is 0.3 to 7.0 μm. 4.0 μm, a multilayer coating layer in which a TiN layer having a cubic single-phase structure and an AlTiN layer are alternately laminated from the surface side of the tool base, the AlTiN layer has a composition formula of AlxTi1-xN, and x (atomic ratio) has an average composition of 0. 40 ≦ x ≦ 0.70, each TiN layer and each AlTiN layer have an average layer thickness of 3 to 30 nm, (c) the upper layer has an average layer thickness of 0.2 to 3.0 μm, and a cubic phase structure. A mixed phase structure with the h-AlN hexagonal phase structure, the overall composition satisfies the composition formula AlzTi1-zN, z (atomic ratio) satisfies the average composition 0.40 ≦ z ≦ 0.70, and the upper layer is perpendicular to the tool substrate surface. In the cross section, the area ratio occupied by the hexagonal phase structure is 3 to 30%. [Selection diagram] Fig. 1
Description
この発明は、たとえば、ステンレス鋼の転削加工において、硬質被覆層がすぐれた耐熱亀裂性および耐チッピング性を発揮させてな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 relates to, for example, a surface-coated cutting tool (hereinafter referred to as a coated tool) in which a hard coating layer exhibits excellent heat cracking resistance and chipping resistance in a rolling process of stainless steel.
従来、転削加工用の被覆工具において、炭化タングステン基超硬合金や炭窒化チタン基サーメット等にて構成された工具基体の表面に、硬質被覆層として、Al−Ti系の複合窒化物層等を被覆形成することにより、すぐれた耐摩耗性や耐熱亀裂性、あるいは、耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具が知られている。 Conventionally, in a coated tool for turning, an Al-Ti composite nitride layer or the like as a hard coating layer on the surface of a tool base composed of tungsten carbide-based cemented carbide or titanium carbonitride-based cermet, etc. A surface-coated cutting tool that exhibits excellent wear resistance, heat cracking resistance, or chipping resistance by forming a coating on the surface is known.
例えば、特許文献1では、工具基体表面に、(AlxTi1−x)(NyC1−y)で示される化学組成(但し、0.56≦x≦0.75、0.6≦y≦1)を有するTiAl(C,N)層からなる、厚さ0.8〜10μmの耐摩耗性皮膜をアークイオンプレーティング法で形成した耐摩耗性、耐熱性および密着性にすぐれた被覆工具が提案されている。 For example, in Patent Document 1, a chemical composition represented by (Al x Ti 1-x ) (N y C 1-y ) (however, 0.56 ≦ x ≦ 0.75, 0.6 ≦ on the surface of the tool base). A coating with excellent wear resistance, heat resistance and adhesion formed by an arc ion plating method comprising a wear resistant film having a thickness of 0.8 to 10 μm, comprising a TiAl (C, N) layer having y ≦ 1) Tools have been proposed.
また、例えば、非特許文献1では、超硬合金基体の表面にナノレベルにてTiN層とTiAlN層を交互に多層積層し、各層の界面にてクラックの進展を抑制することにより、チタン合金等の難削材の切削加工においても、すぐれた耐チッピング性を発揮する、被覆工具が提案されている。 Further, for example, in Non-Patent Document 1, a titanium alloy or the like can be obtained by alternately laminating TiN layers and TiAlN layers at the nano level on the surface of a cemented carbide substrate and suppressing the progress of cracks at the interface of each layer. In the cutting of difficult-to-cut materials, a coated tool that exhibits excellent chipping resistance has been proposed.
また、さらに、特許文献2では、少なくとも、(TiyAlxMe1−x−y)Nからなる成分組成の硬質被覆層(ただし、Meは、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Siから選ばれる成分元素であり、0.55≦x≦0.80、0.50≦x/(x+y)≦0.85、0.7≦x+y<1.0)を有する被覆工具において、アルゴンまたは窒素雰囲気中、800〜1100℃の温度にて5〜240分保持し、(TiyAlxMe1−x−y)Nのスピノーダル分解によって生じる、立方晶のTiN、立方晶のAlNおよび六方晶のAlNの析出硬化により、硬質被覆層の硬度、靱性および熱安定性の向上を図ることが提案されている。
Furthermore, in
近年の切削加工における省力化および省エネ化、さらには低コスト化への要求は高く、これに伴い、切削加工は一段と高速化、高能率化への傾向にあり、特に、ステンレス鋼の転削加工時においては、耐摩耗性に加え、切削時に高温となることからすぐれた耐熱亀裂性が要求されるとともに、切り屑が鋸刃形状となることにより微振動が発生しチッピングが生じることとなるため、あわせて、耐チッピング性の向上が求められている。 In recent years, there has been a high demand for labor saving, energy saving, and cost reduction in cutting, and along with this, cutting tends to be faster and more efficient, especially stainless steel turning. In some cases, in addition to wear resistance, high heat cracking is required because of high temperatures during cutting, and the chip becomes a saw blade shape, causing minute vibrations and chipping. In addition, improvement of chipping resistance is demanded.
これに対し、前記特許文献1に記載された被覆切削工具は、硬質被覆層として、すぐれた耐摩耗性、耐熱性、密着性を有するAlTi(C,N)層を用いるものの、ステンレス鋼の転削加工においては、耐熱亀裂性および耐チッピング性のいずれもが不十分であるという問題を有していた。
また、前記非特許文献1に記載された被覆切削工具では、ナノ積層多層膜により、耐チッピング性にはすぐれるものの、耐熱亀裂性については、不十分であった。
On the other hand, the coated cutting tool described in Patent Document 1 uses an AlTi (C, N) layer having excellent wear resistance, heat resistance, and adhesion as a hard coating layer. In machining, there was a problem that both heat crack resistance and chipping resistance were insufficient.
In the coated cutting tool described in Non-Patent Document 1, the nano-laminated multilayer film has excellent chipping resistance, but has insufficient heat cracking resistance.
さらに、前記特許文献2に記載されている被覆切削工具では、ステンレス鋼の転削加工において、六方晶AlN(h−AlN)が析出する条件下においては、すぐれた耐熱亀裂性を有するものの、耐チッピング性および耐摩耗性においては、その低下により、寿命に至るとの問題を有していた。
Furthermore, the coated cutting tool described in
そこで、本発明は、前記ステンレス鋼の転削加工においてみられる、硬質被覆層の熱亀裂やチッピング発生の問題に対して、硬質被覆層が耐摩耗性に加え、すぐれた耐熱亀裂性および耐チッピング性を両立して発揮させてなる被覆工具を提供することにより解決することを目的とする。 Therefore, the present invention has an excellent thermal crack resistance and chipping resistance in addition to the wear resistance of the hard coating layer to the problem of the occurrence of thermal cracking and chipping of the hard coating layer, which is observed in the machining of the stainless steel. The object is to solve the problem by providing a coated tool that exhibits both properties.
本発明者らは、ステンレス鋼の転削加工用の被覆工具において、長期の使用にわたり、硬質被覆層がすぐれた耐熱亀裂性および耐チッピング性を兼ね備え、工具寿命の向上をもたらす、被覆工具について、鋭意研究を行った結果、以下の知見を得たものである。 The inventors of the present invention have a coating tool for stainless steel milling, which has a thermal crack resistance and chipping resistance with excellent hard coating layer over a long period of use, and provides improved tool life. As a result of earnest research, the following knowledge was obtained.
すなわち、本発明者らは、被覆工具、特にステンレス鋼の転削加工用の被覆工具において、工具基体の表面に、限定された条件にて、表面側より、いずれもナノレベルの厚みを有し、立方晶単相組織からなるTiN層とAlTiN層とが交互に所望の積層周期にて2層以上積層されてなる多層被覆層を下部層として被覆形成することにより、すぐれた耐摩耗性が確保できるとともに、すぐれた耐チッピング性を有することを知見し、また、限定された条件にて、前記下部層上の上部層として、立方晶組織であるAlTiN相と、工具基体表面に対する垂直断面において所定の面積率を有する六方晶組織のh−AlN相との混相(二相)組織とからなる、所望厚みを有するAlTi複合窒化物層を被覆形成することにより、潤滑性および耐溶着性を有し、すぐれた耐熱亀裂性を発揮することを知見し、そして、これらの被覆層が一体となり積層されることにより得られる硬質被覆層が、耐摩耗性、耐チッピング性、および、耐熱亀裂性の特性をすべて両立させて発揮できるものであることを見出したものである。
かかる下部層および上部層を積層してなる硬質被覆層を有する被覆切削工具は、特に、ステンレス鋼等の転削加工等において、耐摩耗性、耐チッピング性、および、耐熱亀裂性についてすぐれた特性を発揮するものであり、長期の使用にわたり、工具寿命の向上をもたらすものである。
That is, the inventors of the present invention have a nano-level thickness on the surface of the tool base in a limited condition on the surface of the tool base in a coated tool, particularly a coated tool for rolling stainless steel. Excellent wear resistance is ensured by forming a multilayer coating layer consisting of two or more layers of TiN layers and AlTiN layers composed of a cubic single-phase structure alternately in the desired stacking cycle as the lower layer. In addition, it was found that it has excellent chipping resistance, and, under limited conditions, as an upper layer on the lower layer, an AlTiN phase having a cubic structure and a predetermined cross section perpendicular to the tool base surface By coating and forming an AlTi composite nitride layer having a desired thickness consisting of a mixed phase (two-phase) structure with a h-AlN phase of a hexagonal structure having an area ratio of And has a hard coating layer obtained by laminating these coating layers together to provide wear resistance, chipping resistance, and thermal cracking. It has been found that all the characteristics of the sex can be exhibited at the same time.
The coated cutting tool having a hard coating layer formed by laminating the lower layer and the upper layer is excellent in wear resistance, chipping resistance, and heat cracking resistance especially in the machining of stainless steel and the like. The tool life is improved 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)WC基超硬合金またはTiCN基サーメットからなる工具基体の表面に、硬質被覆層が形成された表面被覆切削工具において、
(a)前記硬質被覆層は、前記工具基体の表面側から下部層および上部層の二層を有してなり、その合計平均層厚は、0.5〜7.0μmであり、
(b)前記下部層は、前記工具基体の表面側からTiN層と、AlTiN層とが交互に積層されてなる2層以上の多層被覆層であり、前記AlTiN層は、組成式AlxTi1−xNにて表した場合、Alの含有割合x(ただし、xは原子比)は、いずれの層においても、0.40≦x≦0.70を満足する平均組成を有し、前記TiN層とAlTiN層は、いずれも、立方晶単相組織からなり、
各TiN層および各AlTiN層の平均層厚は、それぞれ3〜30nmであり、下部層の平均総膜厚は、0.3〜4.0μmであり、
(c)前記上部層は、立方晶相組織と六方晶相組織とからなる混相組織であり、
全体組成については、組成式AlzTi1-zNにて表した場合、Alの含有割合z(ただし、zは、原子比)は、0.40≦z≦0.70を満足する平均組成を有し、
前記六方晶相組織は、h−AlNからなり、上部層の工具基体表面に対する垂直断面における、六方晶相組織が、立方晶相組織と六方晶相組織の和に対して占める面積割合は、3〜30%であり、
その平均層厚が、0.2〜3.0μmであることを特徴とする表面被覆切削工具。」
を特徴とするものである。
なお、ここでいう「原子比」は、AlTiNにおいて、Nを除く、Al、Tiの原子数の合計比率を1.00とした場合のAl、Tiのそれぞれの原子数の比率をいうものとする。
The present invention has been made based on the above findings,
“(1) In a surface-coated cutting tool in which a hard coating layer is formed on the surface of a tool base made of a WC-based cemented carbide or TiCN-based cermet,
(A) The hard coating layer has two layers of a lower layer and an upper layer from the surface side of the tool base, and the total average layer thickness is 0.5 to 7.0 μm,
(B) The lower layer is a multilayer coating layer of two or more layers in which TiN layers and AlTiN layers are alternately stacked from the surface side of the tool base, and the AlTiN layer has a composition formula Al x Ti 1. -XN , the Al content ratio x (where x is an atomic ratio) has an average composition satisfying 0.40 ≦ x ≦ 0.70 in any layer, and the TiN Both the layer and the AlTiN layer have a cubic single phase structure,
The average layer thickness of each TiN layer and each AlTiN layer is 3 to 30 nm, respectively, and the average total film thickness of the lower layer is 0.3 to 4.0 μm,
(C) The upper layer is a mixed phase structure composed of a cubic phase structure and a hexagonal phase structure,
As for the overall composition, when expressed by the composition formula Al z Ti 1-z N, the Al content ratio z (where z is an atomic ratio) satisfies an average composition satisfying 0.40 ≦ z ≦ 0.70. Have
The hexagonal phase structure is composed of h-AlN, and the area ratio of the hexagonal phase structure to the sum of the cubic phase structure and the hexagonal phase structure in the cross section perpendicular to the tool base surface of the upper layer is 3 ~ 30%,
The surface coating cutting tool characterized by the average layer thickness being 0.2-3.0 micrometers. "
It is characterized by.
The “atomic ratio” here refers to the ratio of the number of atoms of Al and Ti when the total ratio of the number of atoms of Al and Ti, excluding N, is 1.00. .
つぎに、本発明の被覆工具について、詳細に説明する。 Next, the coated tool of the present invention will be described in detail.
硬質被覆層;
本発明に係る硬質被覆層は、工具基体側より、ナノレベルの厚みを有し、立方晶単相組織からなるTiN層とAlTiN層とが交互に所望の積層周期にて2層以上積層されてなる多層被覆層である下部層と、立方晶組織であるAlTiN相と被覆層縦断面において所定の面積率を有する六方晶組織であるh−AlN相との混相(二相)組織であるAlTi複合窒化物層である上部層とを有してなるものである。
そして、硬質被覆層の合計平均総膜厚は、0.5μm未満では、長期にわたり耐摩耗性を発揮することができず、7.0μmを超えると膜剥離やチッピングなどの異常損傷が発生し易くなるため、0.5〜7.0μmとすることが望ましい。
本発明に係る前記下部層および前記上部層を有する硬質被覆層は、例えば、PVD法の一種であるイオンプレーティング法やスパッタ法等を用い成膜を行った後、特定の条件(温度、時間、冷却条件)にて熱処理を行うことにより、濃度分布のゆらぎを生じさせることにより、得ることができる。
前記下部層および上部層の平均層厚、ならびに、硬質被覆層の合計平均層厚は、走査型電子顕微鏡(SEM)または、透過型電子顕微鏡(TEM)を用い、例えば、被覆層縦断面において、倍率5000倍にて、観察視野内の5点の層厚の平均値として求めることができる。
Hard coating layer;
The hard coating layer according to the present invention has a nano-level thickness from the tool substrate side, and two or more TiN layers and AlTiN layers composed of a cubic single-phase structure are alternately laminated at a desired lamination period. An AlTi composite that is a mixed phase (two-phase) structure of a lower layer that is a multilayer coating layer, an AlTiN phase that is a cubic structure, and an h-AlN phase that is a hexagonal structure having a predetermined area ratio in the longitudinal section of the coating layer And an upper layer which is a nitride layer.
If the total average total film thickness of the hard coating layer is less than 0.5 μm, the wear resistance cannot be exhibited over a long period of time, and if it exceeds 7.0 μm, abnormal damage such as film peeling and chipping is likely to occur. Therefore, the thickness is desirably 0.5 to 7.0 μm.
The hard coating layer having the lower layer and the upper layer according to the present invention is formed by using, for example, an ion plating method or a sputtering method, which is a kind of PVD method, and then subjected to specific conditions (temperature, time). , By performing heat treatment under cooling conditions), it can be obtained by causing fluctuations in the concentration distribution.
The average layer thickness of the lower layer and the upper layer, and the total average layer thickness of the hard coating layer, using a scanning electron microscope (SEM) or transmission electron microscope (TEM), for example, in the longitudinal section of the coating layer, It can be obtained as an average value of the layer thicknesses of five points in the observation visual field at a magnification of 5000 times.
下部層;
工具基体上に成膜された下部層は、前記工具基体の表面側からいずれもナノレベルの厚みを有し、立方晶単相組織からなるTiN層と、AlTiN層とが交互に所望の積層周期にて2層以上積層されてなる多層被覆層であり、前記AlTiN層は、組成式AlxTi1−xNにて表した場合、Alの含有割合x(ただし、xは原子比)は、いずれの層においても、0.40≦x≦0.70を満足する平均組成を有する。
また、各TiN層および各AlTiN層の平均層厚は、それぞれ3〜30nmであり、下部層の平均総膜厚は、0.3〜4.0μmである。
(1)AlTiN層の組成
Alの含有割合xが、0.40未満では、硬度が十分でないため、耐摩耗性が不十分となり、一方、Alの含有割合が増すにつれ、硬度は上昇するが、0.70を超えると軟質な六方晶AlNが生成し、耐摩耗性が不十分となるため、硬度が高く、しかも、耐摩耗性にすぐれた硬質被覆層が得られる、0.40以上、0.70以下の範囲に規定した。
(2)TiN層、AlTiN層の膜厚
TiN層、および、AlTiN層の総膜厚、すなわち、下部層の総膜厚は、0.3μm未満では、耐摩耗性が不十分であり、一方、4.0μmを超えると剥離やチッピングなどの異常損傷が生じるため、0.3〜4.0μmと規定した。
また、TiN層、および、AlTiN層のそれぞれの単位層厚については、3nm未満では、界面におけるクラック進展に対する拘束効果が十分ではなく、クラック進展を抑制できず、耐チッピング性を不十分とし、一方、30nmを超えるとTiN層、および、AlTiN層中の結晶粒が粗大化する結果、十分な耐摩耗性が得られなくなるため、3〜30nmと規定した。
(3)TiN層、AlTiN層の積層構造
下部層をいずれも立方晶単相のTiN層およびAlTiN層とからなるナノ積層とすることにより、高い耐摩耗性を長期間維持することができる。
これは、熱処理によっても組成ゆらぎの生じないTiN層にて、AlTiN層を挟みこむことにより、AlTiN層においては、熱等による成分濃度の変化への影響が抑制される結果、六方晶のh−AlNが析出しにくく、立方晶組織を維持できることによるものと考えられる。
Lower layer;
The lower layer formed on the tool base has a nano-level thickness from the surface side of the tool base, and a TiN layer composed of a cubic single-phase structure and an AlTiN layer are alternately stacked in a desired lamination cycle. And when the AlTiN layer is represented by the composition formula Al x Ti 1-x N, the Al content ratio x (where x is an atomic ratio) is: Each layer has an average composition satisfying 0.40 ≦ x ≦ 0.70.
Moreover, the average layer thickness of each TiN layer and each AlTiN layer is 3-30 nm, respectively, and the average total film thickness of a lower layer is 0.3-4.0 micrometers.
(1) Composition of AlTiN layer When the Al content ratio x is less than 0.40, the hardness is not sufficient, so the wear resistance becomes insufficient. On the other hand, the hardness increases as the Al content ratio increases, If it exceeds 0.70, soft hexagonal AlN is generated and wear resistance becomes insufficient, so that a hard coating layer having high hardness and excellent wear resistance can be obtained. 0.40 or more, 0 Specified within a range of 70 or less.
(2) Film thickness of TiN layer and AlTiN layer The total film thickness of the TiN layer and AlTiN layer, that is, the total film thickness of the lower layer is less than 0.3 μm, and the wear resistance is insufficient. If the thickness exceeds 4.0 μm, abnormal damage such as peeling or chipping occurs, and therefore, it is defined as 0.3 to 4.0 μm.
Further, the unit layer thickness of each of the TiN layer and the AlTiN layer is less than 3 nm, the restraining effect on the crack progress at the interface is not sufficient, the crack progress cannot be suppressed, and the chipping resistance is insufficient. If the thickness exceeds 30 nm, the crystal grains in the TiN layer and the AlTiN layer become coarse, and as a result, sufficient wear resistance cannot be obtained.
(3) Laminated structure of TiN layer and AlTiN layer High wear resistance can be maintained for a long time by making the lower layer a nano-laminated layer composed of a cubic single-phase TiN layer and an AlTiN layer.
This is because, by sandwiching the AlTiN layer in the TiN layer that does not cause composition fluctuations even by heat treatment, the AlTiN layer suppresses the influence on the change in the component concentration due to heat or the like. It is considered that AlN hardly precipitates and can maintain a cubic structure.
上部層;
前記下部層に対し、上部層として成膜されたAlTi窒化物層は、全体の組成としては、組成式AlzTi1-zNにて表した場合、Alの含有割合z(ただし、zは、原子比)が、0.40≦z≦0.70を満足する平均組成を有し、また、前記AlTi窒化物層は、熱処理によって得られた、立方晶相組織と六方晶相組織とからなる混相組織であり、六方晶相組織は、h−AlNからなる組織であって、上部層の工具基体表面に対する垂直断面において、六方晶相組織が、立方晶相組織と六方晶相組織との総和面積に対して占める面積割合を3〜30%とすることにより、すぐれた耐熱亀裂性を有するものである。
すなわち、上部層においては、熱処理によって生じるAl濃度のゆらぎにより、耐摩耗性にすぐれた高Alの立方晶AlTiNと高い熱伝導率を有するh−AlNが形成されるとともに、表面近傍のh−AlNを含む高Al領域では、切削中の熱により、化学的に安定で耐溶着性および潤滑性にすぐれたAl酸化物が形成されやすいためである。
全体組成において、Alの含有割合zが、0.40未満では、硬度が十分ではなく、耐摩耗性が不十分となり、一方、Alの含有割合が増すにつれ、硬度は上昇するが、zが、0.70を超えると軟質の六方晶AlNが30面積%を超えて増加し、耐摩耗性が不十分となるため、zは、前記の範囲に規定した。
また、上部層の平均層厚は、0.2μm未満では、耐熱亀裂性と耐摩耗性が不十分であり、一方、3.0μmを超えると剥離やチッピングなどの異常損傷が生じるおそれがあるため、0.2μm以上3.0μm以下と規定した。
なお、結晶組織について、上部層は、六方晶のh−AlN、高AlのAlTiNを含むことにより、耐酸化性に優れたAl酸化物を形成しやすく、潤滑性や耐溶着性にすぐれるため、耐熱亀裂性が向上するものと考えられる。一方、六方晶単相では、耐摩耗性が不十分であり、初期摩耗により層自体が消滅し、耐熱亀裂効果を発揮することができなくなるため、全体組織に対する六方晶組織の面積率を3〜30%とした。
Upper layer;
The AlTi nitride layer formed as an upper layer with respect to the lower layer has an Al composition ratio z (provided that z is a composition formula Al z Ti 1-z N). , Atomic ratio) has an average composition satisfying 0.40 ≦ z ≦ 0.70, and the AlTi nitride layer is obtained from a cubic phase structure and a hexagonal phase structure obtained by heat treatment. The hexagonal phase structure is a structure composed of h-AlN, and the hexagonal phase structure is a cubic phase structure and a hexagonal phase structure in a cross section perpendicular to the tool base surface of the upper layer. By setting the area ratio to the total area to be 3 to 30%, it has excellent thermal crack resistance.
That is, in the upper layer, high Al cubic AlTiN having excellent wear resistance and h-AlN having high thermal conductivity and h-AlN in the vicinity of the surface are formed due to fluctuations in Al concentration caused by heat treatment. This is because, in the high Al region containing, Al oxides that are chemically stable and excellent in welding resistance and lubricity are easily formed by heat during cutting.
In the overall composition, when the Al content ratio z is less than 0.40, the hardness is not sufficient and the wear resistance becomes insufficient. On the other hand, as the Al content ratio increases, the hardness increases, but z is If it exceeds 0.70, the amount of soft hexagonal AlN exceeds 30 area% and the wear resistance becomes insufficient. Therefore, z is specified in the above range.
Moreover, if the average layer thickness of the upper layer is less than 0.2 μm, the thermal crack resistance and wear resistance are insufficient, while if it exceeds 3.0 μm, abnormal damage such as peeling or chipping may occur. Defined as 0.2 μm to 3.0 μm.
As for the crystal structure, since the upper layer contains hexagonal h-AlN and high Al AlTiN, it is easy to form an Al oxide excellent in oxidation resistance, and has excellent lubricity and welding resistance. It is considered that the thermal crack resistance is improved. On the other hand, in the hexagonal single phase, the wear resistance is insufficient, the layer itself disappears due to initial wear, and the heat cracking effect cannot be exhibited, so the area ratio of the hexagonal structure to the entire structure is 3 to 3. 30%.
硬質被覆層の形成方法;
本発明に係る前記下部層および前記上部層を積層してなる硬質被覆層は、前述のとおり、まず、PVD法の一種であるイオンプレーティング法やスパッタ法等を用い、成膜を行い、その後、特定の条件にて熱処理を行うことにより得ることができる。
以下では、具体的にアークイオンプレーティング(AIP)装置を用いて、工具基体に前記下部層および前記上部層を成膜し、その後、特定の条件にて熱処理(温度、時間、冷却条件)を行い、所望の硬質被覆層を製造する方法について説明を行う。
図1(a)、(b)に、本発明の硬質被覆層を成膜するための、アークイオンプレーティング装置の概略図を示す。
図1(a)、(b)に示すアークイオンプレーティング装置は、装置中央部に基体装着用の回転テーブルを設け、前記回転テーブルを挟んで、一方側にカソード電極(蒸着源)として下部層のTiN層成膜用のTiターゲットを配置し、他方側に同じくカソード電極として所定の組成を有する下部層のAlTiN層および上部層のAlTiN層成膜用のAl−Ti合金ターゲットを配置し、WC基超硬合金やTiCN基サーメットなどからなる工具基体を前記回転テーブル上に基体自体の自転も可能となるよう載置し、工具基体に対するボンバード前処理、および、工具基体の温度、N2ガス圧、成膜時のバイアス電圧、アーク電流値を調整し、窒素ガス雰囲気にてアーク放電を発生させることにより、成膜を行うことができる。
成膜は、まず、前記下部層のTiN層成膜用のTiターゲットと対応するアノード電極との間、および、前記下部層のAlTiN層成膜用のAl−Ti合金ターゲットと対応するアノード電極との間にてアーク放電を発生させ、前記工具基体表面に、下部層としていずれも立方晶単相組織を有するTiNナノ層とAlTiNナノ層を交互積層してなる下部層を成膜し、ついで、カソード電極である下部層の前記TiN層成膜用のTiターゲットと対応するアノード電極との間のアーク放電のみを停止し、同装置内の雰囲気を窒素雰囲気に保持したままで、前記下部層のAlTiN層および上部層のAlTiN層成膜用のAl−Ti合金ターゲットとアノード電極との間にてアーク放電を発生させ、前記下部層上に上部層としてAlTiN層を蒸着することにより行われる。
次いで、下部層および上部層が形成された工具基体を、熱処理炉にて所定の熱処理条件(雰囲気、加熱温度、処理時間、冷却速度)にて熱処理を行うことにより、すぐれた耐摩耗性およびすぐれた耐チッピング性を発揮する、いずれも立方晶単相組織からなりナノレベルの層厚を有するTiN層およびAlTiN層が交互積層された多層被覆層からなる下部層と、熱処理による濃度分布のゆらぎにより生じた、立方晶相組織であるAlTiN相と六方晶組織であるh−AlN相からなる混相(二相)組織により、すぐれた耐熱亀裂性を発揮する上部層とからなる、耐摩耗性と耐チッピング性を両立する硬質被覆層を備えた表面被覆切削工具を得ることができる。
Method for forming a hard coating layer;
As described above, the hard coating layer formed by laminating the lower layer and the upper layer according to the present invention is first formed using an ion plating method or a sputtering method, which is a kind of PVD method, and then formed into a film. It can be obtained by performing heat treatment under specific conditions.
In the following, the lower layer and the upper layer are formed on the tool base using an arc ion plating (AIP) apparatus, and then heat treatment (temperature, time, cooling conditions) is performed under specific conditions. A method for producing a desired hard coating layer will be described.
1A and 1B are schematic views of an arc ion plating apparatus for forming a hard coating layer of the present invention.
The arc ion plating apparatus shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b) is provided with a rotating table for mounting a substrate at the center of the apparatus, and sandwiches the rotating table, and a lower layer as a cathode electrode (evaporation source) on one side A Ti target for forming a TiN layer is disposed on the other side, a lower layer AlTiN layer having a predetermined composition as the cathode electrode, and an Al-Ti alloy target for forming an upper AlTiN layer are disposed on the other side, and a WC A tool base made of a base cemented carbide, a TiCN base cermet, or the like is placed on the rotary table so that the base itself can be rotated, and a bombard pretreatment for the tool base, the temperature of the tool base, and the N 2 gas pressure Film formation can be performed by adjusting the bias voltage and arc current value during film formation and generating arc discharge in a nitrogen gas atmosphere.
First, the lower TiN layer deposition Ti target and the corresponding anode electrode, and the lower AlTiN layer deposition Al-Ti alloy target corresponding anode electrode and Between the TiN nanolayer and AlTiN nanolayer having a cubic single-phase structure as a lower layer, and forming a lower layer on the tool base surface. Only the arc discharge between the Ti target for forming the TiN layer of the lower layer, which is the cathode electrode, and the corresponding anode electrode is stopped, and the atmosphere in the apparatus is maintained in a nitrogen atmosphere, and the lower layer An arc discharge is generated between the AlTiN layer and the Al-Ti alloy target for forming the upper AlTiN layer and the anode electrode, and an AlTiN layer is formed as an upper layer on the lower layer. It is carried out by wearing.
Next, the tool base on which the lower layer and the upper layer are formed is subjected to heat treatment in a heat treatment furnace under predetermined heat treatment conditions (atmosphere, heating temperature, treatment time, cooling rate), so that excellent wear resistance and superiority are achieved. The lower layer is composed of a multilayer coating layer in which TiN layers and AlTiN layers each having a nano-level layer thickness are formed with a single-phase cubic structure, and a fluctuation in concentration distribution due to heat treatment. Due to the resulting mixed phase (two-phase) structure consisting of an AlTiN phase that is a cubic phase structure and an h-AlN phase that is a hexagonal structure, it is composed of an upper layer that exhibits excellent thermal crack resistance and wear resistance and resistance. A surface-coated cutting tool having a hard coating layer having both chipping properties can be obtained.
本発明に係る被覆工具は、前記したとおり、硬質被覆層について、下部層を、いずれも立方晶相単相組織からなるTiNナノ層とAlTiNナノ層を交互積層してなる下部層とし、上部層を、立方晶相組織であるAlTiN相と六方晶組織であるh−AlN相からなる混相(二相)組織とすることにより、すぐれた耐摩耗性を有し、耐チッピング性と耐熱亀裂性とを両立させて兼ね備えた表面被覆切削工具であって、特に、ステンレス鋼の転削加工用の被覆工具において、長期の使用にわたり、工具寿命の向上をもたらすものである。 In the coated tool according to the present invention, as described above, the lower layer of the hard coating layer is a lower layer formed by alternately laminating TiN nanolayers and AlTiN nanolayers each having a cubic phase single phase structure, and the upper layer. Is a mixed phase (two-phase) structure consisting of an AlTiN phase which is a cubic phase structure and an h-AlN phase which is a hexagonal structure, thereby having excellent wear resistance, chipping resistance and thermal crack resistance. In particular, a surface-coated cutting tool having both of the above-mentioned characteristics, particularly in a coated tool for rolling stainless steel, improves tool life over a long period of use.
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。
なお、具体的な説明としては、WC基超硬合金またはTiCN基サーメットを工具基体とする被覆工具について説明するが、立方晶窒化ホウ素焼結体を工具基体とする被覆工具についても同様である。
Next, the coated tool of the present invention will be specifically described with reference to examples.
As a specific description, a coated tool using a WC-based cemented carbide or TiCN-based cermet as a tool substrate will be described, but the same applies to a coated tool using a cubic boron nitride sintered body as a tool substrate.
工具基体の作製;
原料粉末として、いずれも0.5〜5μmの平均粒径を有する、Co粉末、TaC粉末、NbC粉末、Cr3C2粉末、WC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ボールミルで72時間湿式混合し、減圧乾燥した後、100MPaの圧力でプレス成形し、これらの圧粉成形体を焼結し、所定寸法となるように加工して、ISO規格SEEN1203AFEN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、Bを製造した。
Production of a tool substrate;
As raw material powders, Co powder, TaC powder, NbC powder, Cr 3 C 2 powder and WC powder, all having an average particle diameter of 0.5 to 5 μm, are prepared, and these raw material powders are blended as shown in Table 1. Blended into the composition, added with wax, wet mixed in a ball mill for 72 hours, dried under reduced pressure, then press molded at a pressure of 100 MPa, sintered these compacts, and processed to a predetermined size. Thus, tool bases A and B made of WC-base cemented carbide having an insert shape of ISO standard SEEN1203AFEN were manufactured.
また、原料粉末として、いずれも0.5〜5μmの平均粒径を有する、TiCN(質量比にてTiC/TiN=50/50)粉末、NbC粉末、Mo2C粉末、WC粉末、Co粉末およびNi粉末を用意し、これら原料粉末を、表2に示される配合組成に配合し、さらにワックスを加えてボールミルで72時間湿式混合し、減圧乾燥した後、100MPaの圧力でプレス成形し、これらの圧粉成形体を焼結し、所定寸法となるように加工して、ISO規格SEEN1203AFENのインサート形状をもったTiCN基サーメット製の工具基体C、Dを製造した。 Moreover, as raw material powder, all have an average particle diameter of 0.5 to 5 μm, TiCN (TiC / TiN = 50/50 in mass ratio) powder, NbC powder, Mo 2 C powder, WC powder, Co powder and Ni powder is prepared, these raw material powders are blended in the blending composition shown in Table 2, further added with wax, wet mixed in a ball mill for 72 hours, dried under reduced pressure, and then press molded at a pressure of 100 MPa. The green compact was sintered and processed so as to have a predetermined size, to produce tool bases C and D made of TiCN-based cermet having an ISO standard SEEN1203AFEN insert shape.
成膜工程;
前記工具基体に対して、図1に示すAIP装置(アークイオンプレーティング装置)を用いて成膜および熱処理を行い、本発明の被覆工具を作製した。
(a)前記工具基体A、BおよびC、Dのそれぞれについて、アセトン中にて超音波洗浄し、乾燥した状態で、図1に示す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沿って装着し、前記回転テーブルを挟んで対向する位置の一方側に下部層のTiN層形成用のTiターゲット(カソード電極)を配置し、他方側に下部層のAlTiN層および上部層のAlTiN形成用のAl−Ti合金ターゲット(カソード電極)を配置する。
(b)次いで、AIP装置内を排気し、10−2Pa以下の真空に保持しながら、ヒーターにて装置内を500℃に加熱した後、0.5〜2.0PaのArガス雰囲気に設定し、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−400〜−1000Vの直流バイアス電圧を印加し、5〜30分間ボンバード洗浄を行う。
(c)次いで、AIP装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入し、窒素ガスの圧力を表3に示す2.0〜10.0Paの範囲内の所定の反応雰囲気とするとともに、表3にて示す装置内温度に維持し、また、回転テーブル上にて自転しながら表3にて示す回転数にて回転する工具基体に対し、表3にて示す−30〜−100Vの範囲内の所定の直流バイアス電圧を印加し、かつ、表3に示すカソード電極である下部層形成用のAl−Ti合金ターゲットと、対応するアノード電極との間、および、同じく下部層形成用のTiターゲットと、対応するアノード電極との間のそれぞれに対し、表3にて示す90〜140Aの範囲内の所定の電流を流してアーク放電を発生させ、工具基体の表面に、表7にて示される目標平均組成、および、目標平均層厚を有するTiNナノ層およびAlTiNナノ層を交互積層してなる下部層を成膜する。
(d)次いで、カソード電極である下部層形成用のTiターゲットとアノード電極との間のアーク放電を停止し、装置内温度を維持しつつ、装置内の窒素ガスの圧力を表3に示す 2.0〜10.0Paの範囲内の所定の反応雰囲気に調整し、回転テーブル上にて自転しながら回転する工具基体に対し、表3にて示す−30〜−100Vの範囲内の所定の直流バイアス電圧を印加し、かつ、表3に示すカソード電極である上部層形成用のAl−Ti合金ターゲットとアノード電極との間に表3に示す90〜140Aの範囲内の所定の電流を流してアーク放電を発生させ、工具基体の表面に、表7にて示される上部層全体における目標平均組成、および、目標平均層厚を有する上部層を成膜する。
(e)次いで、得られた被覆工具を表5にて示す条件にて、熱処理を行うことにより、表7に示す本発明被覆工具(以下、「本発明工具」という。)1〜12を作製した。
なお、前記交互積層により得られるTiNナノ層およびAlTiNナノ層の層厚は、それぞれ独立したターゲットとアノード電極との間において流すアーク電流値を相対的に調整することにより、二層の層厚比を適宜変更することができる。
Film formation process;
The tool base was subjected to film formation and heat treatment using an AIP apparatus (arc ion plating apparatus) shown in FIG. 1 to produce a coated tool of the present invention.
(A) Each of the tool bases A, B, C, and D is ultrasonically washed in acetone and dried, and is predetermined in the radial direction from the central axis on the rotary table in the AIP apparatus shown in FIG. A Ti target (cathode electrode) for forming a lower TiN layer is disposed on one side of the position opposite to the rotary table with the rotary table interposed therebetween, and the lower layer of the lower layer is disposed on the other side. An Al—N alloy target (cathode electrode) for forming an AlTiN layer and an upper layer of AlTiN is disposed.
(B) Next, the inside of the AIP apparatus is evacuated and the inside of the apparatus is heated to 500 ° C. with a heater while maintaining a vacuum of 10 −2 Pa or less, and then set to an Ar gas atmosphere of 0.5 to 2.0 Pa. Then, a DC bias voltage of −400 to −1000 V is applied to the tool base that rotates while rotating on the rotary table, and bombard cleaning is performed for 5 to 30 minutes.
(C) Next, nitrogen gas is introduced into the AIP apparatus as a reaction gas, and the pressure of the nitrogen gas is set to a predetermined reaction atmosphere within the range of 2.0 to 10.0 Pa shown in Table 3, The tool base that rotates at the number of revolutions shown in Table 3 while rotating on the rotary table while maintaining the temperature in the apparatus shown in FIG. A DC bias voltage is applied, and the cathode electrode shown in Table 3 corresponds to an Al—Ti alloy target for forming the lower layer and the corresponding anode electrode, and also corresponds to a Ti target for forming the lower layer. A predetermined current in the range of 90 to 140 A shown in Table 3 is caused to flow between each anode electrode and the anode electrode to generate arc discharge, and the target average composition shown in Table 7 is formed on the surface of the tool base. And target level Forming a lower layer formed by alternately stacking a TiN nano layer and AlTiN nanolayers having layer thickness.
(D) Next, the arc discharge between the Ti target for forming the lower layer, which is the cathode electrode, and the anode electrode is stopped, and the pressure of nitrogen gas in the apparatus is shown in Table 3 while maintaining the temperature in the apparatus. A predetermined direct current within a range of −30 to −100 V shown in Table 3 with respect to a tool base which is adjusted to a predetermined reaction atmosphere within a range of 0.0 to 10.0 Pa and rotates while rotating on a rotary table. A bias voltage is applied, and a predetermined current in the range of 90 to 140 A shown in Table 3 is passed between the Al—Ti alloy target for forming the upper layer, which is the cathode electrode shown in Table 3, and the anode electrode. Arc discharge is generated, and an upper layer having a target average composition and a target average layer thickness in the entire upper layer shown in Table 7 is formed on the surface of the tool base.
(E) Next, the obtained coated tool is subjected to heat treatment under the conditions shown in Table 5 to produce the present coated tools (hereinafter referred to as “the present tool”) 1 to 12 shown in Table 7. did.
The layer thicknesses of the TiN nanolayer and the AlTiN nanolayer obtained by the alternate lamination are adjusted by relatively adjusting the arc current value flowing between the independent target and the anode electrode, respectively. Can be changed as appropriate.
また、比較の目的にて、前記工具基体A、BおよびC、Dに対して、表4に示す条件にて、下部層および上部層を蒸着形成することにより、表8にて示される目標平均組成、および、目標平均層厚にて下部層および上部層を蒸着形成し、次いで、得られた被覆工具を表6にて示す条件にて、熱処理を行うことにより、表8に示す比較例被覆工具(以下、「比較例工具」という。)1〜12を作製した。 For the purpose of comparison, the target average shown in Table 8 is formed by vapor-depositing the lower layer and the upper layer on the tool bases A, B, C, and D under the conditions shown in Table 4. The lower layer and the upper layer were formed by vapor deposition with the composition and target average layer thickness, and then the obtained coated tool was subjected to heat treatment under the conditions shown in Table 6 to thereby cover the comparative examples shown in Table 8. Tools (hereinafter referred to as “comparative example tools”) 1 to 12 were produced.
上記にて作製した本発明工具1〜12および比較例工具1〜12について、下部層および上部層の工具基体表面に対する垂直断面を、走査型電子顕微鏡(SEM)、透過型電子顕微鏡(TEM)、エネルギー分散型X線分光法(EDS)を用いた断面測定により、下部層におけるAlTiN層のAlの平均含有割合(原子比)x、上部層全体におけるAlの平均含有割合(原子比)z、および、上部層における立方晶相のAlの含有割合(原子比)の最大値と最小値を測定し、また、下部層および上部層の平均層厚を測定した。
さらに、上部層について、六方晶構造のh−AlN相が存在するか否かを確認するとともに、存在する場合には、電子線後方散乱回折装置(EBSD)を用いて、その生成面積割合を測定した。
より具体的にいえば、次のとおりである。
下部層におけるAlTiN層のAlの平均含有割合(原子比)x、および、上部層全体におけるAlの平均含有割合(原子比)zの測定については、微小領域の組成分析に最適な、透過型電子顕微鏡(TEM)付属のエネルギー分散型X線分光法(EDS)を用い、下部層および上部層の断面の任意の5点において、膜厚の半分以上のスケールを含む領域にてエリア分析を行い、Alの含有割合を測定し、この値を平均して、これを、Alの平均含有割合xおよびzとした。
また、上部層における立方晶相のAlの含有割合(原子比)の最大値と最小値については、同様に透過型電子顕微鏡(TEM)付属のエネルギー分散型X線分光法(EDS)を用いるほか、走査型電子顕微鏡(SEM)付属EDSを用いて測定することも可能であり、上部層の断面において、3×3nmのエリア分析を任意の10点について行い、そのAlの含有割合を測定し、その最大値および最小値より求めることができる。
また、下部層および上部層の層厚は、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて、5μm以上離れた膜断面において任意の5点についての層厚を測定し、この値を平均することによって、下部層および上部層の平均層厚を算出した。
六方晶相の検出については、TEMによる電子線回折を用いて、下部層および上部層のそれぞれにおいて任意の5箇所にて(各層の膜厚)×0.8の直径の円内の六方晶の有無により判断をした。
六方晶相が存在する場合には、電子線後方散乱回折装置(EBSD)を用いて、その面積割合を5箇所の平均値として算出した。
すなわち、h−AlN相の面積割合は、電子線後方散乱回折装置(EBSD)を用いて、工具基体表面に垂直な下部層および上部層の縦断面を研磨面とした状態で、電界放出型走査電子顕微鏡(SEM)の鏡筒内にセットし、前記研磨面に70度の入射角度で15kVの加速電圧の電子線を1nAの照射電流で、前記研磨面の測定範囲内に存在する結晶粒個々に照射し、工具基体と水平方向に長さ50μm、法線方向に該AlTiN層の膜厚未満にわたり、0.01μm/stepの間隔で、電子線後方散乱回折像を測定し、個々の結晶粒の結晶構造を解析することで、六方晶構造を有するh−AlN結晶粒とそれ以外のNaCl型の面心立方構造を有する結晶粒を同定し、これらの結晶構造の全ピクセル数に占める六方晶構造のh−AlN結晶粒に該当するするピクセル数の割合を求めることで、h−AlN相の生成面積割合(面積%)を求めることができる。
表7、表8に、上記で測定した値等を示す。
なお、表7、表8において、積層回数nは、TiN層およびAlTiN層の全積層数をいう。
About this invention tools 1-12 produced above and comparative example tools 1-12, the vertical section with respect to the tool base surface of a lower layer and an upper layer is a scanning electron microscope (SEM), a transmission electron microscope (TEM), By cross-sectional measurement using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), the average Al content ratio (atomic ratio) x in the AlTiN layer in the lower layer, the average Al content ratio (atomic ratio) z in the entire upper layer, and The maximum value and the minimum value of the Al content ratio (atomic ratio) of the cubic phase in the upper layer were measured, and the average layer thickness of the lower layer and the upper layer was measured.
Further, for the upper layer, it is confirmed whether or not a h-AlN phase having a hexagonal crystal structure is present, and if present, the generation area ratio is measured by using an electron beam backscattering diffractometer (EBSD). did.
More specifically, it is as follows.
For the measurement of the average Al content ratio (atomic ratio) x in the AlTiN layer in the lower layer and the average Al content ratio (atomic ratio) z in the entire upper layer, transmission electrons that are optimal for the composition analysis of a minute region Using an energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) attached to a microscope (TEM), area analysis is performed in an area including a scale more than half of the film thickness at any five points in the cross section of the lower layer and the upper layer. The Al content ratio was measured, and this value was averaged to obtain the average Al content ratios x and z.
As for the maximum and minimum values of the cubic phase Al content (atomic ratio) in the upper layer, the energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) attached to the transmission electron microscope (TEM) is used. It is also possible to measure using an EDS attached to a scanning electron microscope (SEM), and in the cross section of the upper layer, an area analysis of 3 × 3 nm is performed on any 10 points, and the Al content ratio is measured. The maximum value and the minimum value can be obtained.
Moreover, the layer thickness of the lower layer and the upper layer is measured by measuring the layer thickness at any five points in the film cross section separated by 5 μm or more using a transmission electron microscope (TEM), and averaging this value. The average layer thickness of the lower layer and the upper layer was calculated.
Regarding the detection of the hexagonal phase, electron beam diffraction by TEM was used to measure hexagonal crystals in a circle with a diameter of 0.8 (film thickness of each layer) × 0.8 at any five locations in each of the lower layer and the upper layer. Judgment was made based on the presence or absence.
When a hexagonal phase was present, the area ratio was calculated as an average value of five locations using an electron beam backscattering diffractometer (EBSD).
That is, the area ratio of the h-AlN phase is measured by using an electron beam backscatter diffractometer (EBSD) in a state where the vertical section of the lower layer and the upper layer perpendicular to the tool base surface is a polished surface. Each crystal grain is set in an electron microscope (SEM) column, and an electron beam with an acceleration voltage of 15 kV is applied to the polished surface at an incident angle of 70 degrees with an irradiation current of 1 nA within the measurement range of the polished surface. The electron beam backscatter diffraction image was measured at an interval of 0.01 μm / step over the tool substrate in the horizontal direction with a length of 50 μm and in the normal direction, less than the thickness of the AlTiN layer. By analyzing the crystal structure, h-AlN crystal grains having a hexagonal crystal structure and other crystal grains having a face-centered cubic structure of NaCl type are identified, and the hexagonal crystal accounts for the total number of pixels of these crystal structures. H-AlN structure of structure By determining the ratio of the number of pixels corresponding to the crystal grains, the generation area ratio (area%) of the h-AlN phase can be determined.
Tables 7 and 8 show the values measured above.
In Tables 7 and 8, the number of times n is the total number of TiN layers and AlTiN layers.
次に、本発明工具1〜12、比較例工具1〜12をいずれも工具鋼製バイトの先端部に固定治具にてねじ止めした状態にて、以下に示す切削加工試験を実施し、切り刃の逃げ面摩耗幅および発生した熱亀裂の発生密度(本数/mm2)を測定した。
逃げ面摩耗量は、チッピングを含む最大の摩耗量を測定した。
また、熱亀裂の発生密度は、すくい面に発生した熱亀裂の本数をすくい面の切り込みと、
1刃送りに囲まれた面積で割ることで算出した。
ここで、切り込みとは被削材を除去する厚みであり、1刃送りとはカッタが一回転した際にテーブルが進む距離を刃数で割った量である。
<切削条件1>
被削材:JIS・SUS304のブロック材
切削速度: 250m/min、
切り込み: 2.0mm、
一刃送り量:0.20mm/刃、
切削時間: 10分
の条件でのステンレス鋼の乾式高速ミーリング切削加工試験
<切削条件2>
被削材: JIS・SUS304
切削速度: 150m/min、
切り込み: 2.5mm、
一刃送り量:0.20mm/刃、
切削時間: 10 分、
の条件でのステンレス鋼のセンターカット湿式高速切削試験
表9、表10にその結果を示す。
Next, with the tools 1 to 12 of the present invention and the comparative tools 1 to 12 both screwed to the tip of the tool steel tool with a fixing jig, the following cutting test was carried out, and cutting was performed. The flank wear width of the blade and the density of generated thermal cracks (number / mm 2 ) were measured.
For the flank wear amount, the maximum wear amount including chipping was measured.
In addition, the generation density of thermal cracks is the number of thermal cracks generated on the rake face,
It was calculated by dividing by the area surrounded by 1-blade feed.
Here, the notch is the thickness for removing the work material, and the one-blade feed is the amount obtained by dividing the distance the table advances when the cutter makes one revolution by the number of blades.
<Cutting condition 1>
Work material: Block material of JIS / SUS304 Cutting speed: 250 m / min,
Cutting depth: 2.0mm,
Single blade feed amount: 0.20 mm / tooth,
Cutting time: Dry high-speed milling cutting test of stainless steel under the condition of 10 minutes <
Work material: JIS / SUS304
Cutting speed: 150 m / min,
Cutting depth: 2.5mm,
Single blade feed amount: 0.20 mm / tooth,
Cutting time: 10 minutes,
The results are shown in Tables 9 and 10 for the center cut wet high speed cutting test of stainless steel under the following conditions.
表9、表10の結果によれば、本発明工具1〜12は、比較例工具1〜12に比して、特に、すくい面における熱亀裂の発生密度が少ない。そのため、熱亀裂に起因するチッピング、欠損等の異常損傷の発生を抑制することができ、あわせて、耐摩耗性にすぐれ逃げ面摩耗の進行を抑制することができる。
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。
According to the results of Tables 9 and 10, the inventive tools 1 to 12 have less thermal crack generation density especially on the rake face than the comparative tools 1 to 12. Therefore, the occurrence of abnormal damage such as chipping and chipping due to thermal cracks can be suppressed, and at the same time, the wear resistance is excellent and the progress of flank wear can be suppressed.
As a result, excellent cutting performance can be exhibited over a long period of use.
本発明の表面被覆切削工具は、耐摩耗性に加え、従来、ステンレス鋼の転削加工において、課題とされた、耐熱亀裂性と耐チッピング性の両立を実現し、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するものであるから、切削加工装置の高性能化、あるいは、切削加工の省力化および省エネ化、さらには、低コスト化への要求に対し十分満足に対応するものである。 In addition to wear resistance, the surface-coated cutting tool of the present invention achieves both heat cracking resistance and chipping resistance, which has been a problem in conventional stainless steel turning, and has excellent cutting performance over a long period of time. Since it exhibits the performance, it can sufficiently satisfy the demand for higher performance of the cutting device, labor saving and energy saving of the cutting work, and further cost reduction.
Claims (1)
(a)前記硬質被覆層は、前記工具基体の表面側から下部層および上部層の二層を有してなり、その合計平均層厚は、0.5〜7.0μmであり、
(b)前記下部層は、前記工具基体の表面側からTiN層と、AlTiN層とが交互に積層されてなる2層以上の多層被覆層であり、前記AlTiN層は、組成式AlxTi1−xNにて表した場合、Alの含有割合x(ただし、xは原子比)は、いずれの層においても、0.40≦x≦0.70を満足する平均組成を有し、前記TiN層とAlTiN層は、いずれも、立方晶単相組織からなり、
各TiN層および各AlTiN層の平均層厚は、それぞれ3〜30nmであり、下部層の平均総膜厚は、0.3〜4.0μmであり、
(c)前記上部層は、立方晶相組織と六方晶相組織とからなる混相組織であり、
全体組成については、組成式AlzTi1-zNにて表した場合、Alの含有割合z(ただし、zは、原子比)は、0.40≦z≦0.70を満足する平均組成を有し、
前記六方晶相組織は、h−AlNからなり、上部層の工具基体表面に対する垂直断面における、六方晶相組織が、立方晶相組織と六方晶相組織の和に対して占める面積割合は、3〜30%であり、
その平均層厚が、0.2〜3.0μmであ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 formed on the surface of a tool base made of a WC-based cemented carbide or TiCN-based cermet,
(A) The hard coating layer has two layers of a lower layer and an upper layer from the surface side of the tool base, and the total average layer thickness is 0.5 to 7.0 μm,
(B) The lower layer is a multilayer coating layer of two or more layers in which TiN layers and AlTiN layers are alternately stacked from the surface side of the tool base, and the AlTiN layer has a composition formula Al x Ti 1. -XN , the Al content ratio x (where x is an atomic ratio) has an average composition satisfying 0.40 ≦ x ≦ 0.70 in any layer, and the TiN Both the layer and the AlTiN layer have a cubic single phase structure,
The average layer thickness of each TiN layer and each AlTiN layer is 3 to 30 nm, respectively, and the average total film thickness of the lower layer is 0.3 to 4.0 μm,
(C) The upper layer is a mixed phase structure composed of a cubic phase structure and a hexagonal phase structure,
As for the overall composition, when expressed by the composition formula Al z Ti 1-z N, the Al content ratio z (where z is an atomic ratio) satisfies an average composition satisfying 0.40 ≦ z ≦ 0.70. Have
The hexagonal phase structure is composed of h-AlN, and the area ratio of the hexagonal phase structure to the sum of the cubic phase structure and the hexagonal phase structure in the cross section perpendicular to the tool base surface of the upper layer is 3 ~ 30%,
The surface coating cutting tool characterized by the average layer thickness being 0.2-3.0 micrometers.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117721415A (en) * | 2023-12-15 | 2024-03-19 | 安徽工业大学 | A B-containing nanometer multi-layer coating for impact fatigue resistance and high-speed dry cutting of titanium alloys, its preparation method and its application |
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2018
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