JP2018164963A - Surface-coated cutting tool - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、合金鋼などの高速断続切削加工において、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を発揮し、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 provides a surface-coated cutting tool (hereinafter referred to as a coated tool) that exhibits excellent chipping resistance and wear resistance in a high-speed intermittent cutting process such as alloy steel, and exhibits excellent cutting performance over a long period of use. 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, as a coated tool, for throwing inserts that can be used detachably attached to the tip of a cutting tool for turning and planing of various materials such as steel and cast iron, and for drilling and cutting the work material Known drills and miniature drills, end mills used for chamfering and grooving, shoulder processing, etc. of the work material, solid hob, pinion cutter used for gear cutting of the tooth profile of the work material, etc. Yes.
Many proposals have been made for the purpose of improving the cutting performance of the coated tool.
例えば、特許文献１に示すように、工具基体表面に、物理蒸着によって堆積された耐火性層を含むコーティングを含む被覆工具であって、 前記耐火性層がＭ１−ｘＡｌｘＮ（式中、ｘ≧０．６８であり、ＭがＴｉ、ＣｒまたはＺｒである）を含み、前記耐火性層が立方晶結晶相を含有し、少なくとも２５ＧＰａの硬度を有する厚膜、高硬度および低残留応力の耐摩耗性被覆工具が提案されている。 For example, as shown in Patent Document 1, a coated tool including a coating including a refractory layer deposited by physical vapor deposition on the surface of a tool base, wherein the refractory layer is M 1-x Al x N (wherein X ≧ 0.68, and M is Ti, Cr or Zr), and the refractory layer contains a cubic crystal phase and has a hardness of at least 25 GPa, high hardness and low residual stress Abrasion-resistant coated tools have been proposed.
また、特許文献２には、工具基体表面にＴｉＡｌＮ層からなる硬質被覆層を被覆した被覆工具において、上記硬質被覆層が、層厚方向にそって、Ａｌ最高含有点（Ｔｉ最低含有点）とＡｌ最低含有点（Ｔｉ最高含有点）とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、かつ前記Ａｌ最高含有点から前記Ａｌ最低含有点、前記Ａｌ最低含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌ（Ｔｉ）含有量が連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、さらに、上記Ａｌ最高含有点が、組成式：（Ｔｉ１−ＸＡｌＸ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．７０〜０．９５を示す）、上記Ａｌ最低含有点が、組成式：（Ｔｉ１−ＹＡｌＹ ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｙは０．４０〜０．６５を示す）、をそれぞれ満足し、かつ隣り合う上記Ａｌ最高含有点とＡｌ最低含有点の間隔が、０．０１〜０．１μｍである耐摩耗性にすぐれた被覆工具が提案されている。 Further, in Patent Document 2, in a coated tool in which a hard coating layer composed of a TiAlN layer is coated on the surface of a tool base, the hard coating layer has an Al maximum content point (Ti minimum content point) along the layer thickness direction. Al lowest content points (Ti highest content points) are alternately present at predetermined intervals, and the Al highest content point to the Al lowest content point, the Al lowest content point to the Al highest content point Al ( Ti) It has a component concentration distribution structure in which the content changes continuously, and the Al highest content point is the composition formula: (Ti 1-X Al X ) N (wherein the atomic ratio, X is 0. 70 to 0.95), and the above-mentioned lowest Al content point is a composition formula: (Ti 1-Y Al Y ) N (wherein Y represents 0.40 to 0.65 in atomic ratio), respectively. Satisfied and adjacent Al highest content point and Al lowest Distance Yu points, coated tool having excellent wear resistance is 0.01~0.1μm have been proposed.
近年の切削加工装置の高性能化はめざましく、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・高能率化の傾向にあるが、上記従来の被覆工具においては、これを鋼や鋳鉄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、これを、例えば、合金鋼等の高速断続切削加工のような、高熱発生を伴い、しかも、切刃に対して衝撃的・断続的な高負荷がかかる切削加工に用いた場合には、クラックの発生・伝播を抑制することができないため、チッピングが発生しやすく、また、摩耗進行も促進されるため、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。 In recent years, the performance of cutting machines has been dramatically improved, while there is a strong demand for labor saving, energy saving, and cost reduction for cutting, and as a result, cutting has become a trend toward higher speed and higher efficiency. However, in the above-mentioned conventional coated tool, when this is used for cutting under normal cutting conditions such as steel and cast iron, no particular problem occurs. Crack generation / propagation cannot be suppressed when used for cutting that involves high heat generation, such as high-speed interrupted cutting, and that imposes an impact and intermittent high load on the cutting edge. Therefore, chipping is likely to occur and the progress of wear is promoted, so that the service life is reached in a relatively short time.
例えば、特許文献１に示される従来被覆工具においては、Ｍ１−ｘＡｌｘＮの一つの形態であるＴｉＡｌＮ層は高硬度で耐摩耗性にすぐれる層であり、Ａｌ含有量が多いほど耐摩耗性にすぐれるが、その一方で、格子歪が大きくなるため、耐チッピング性が低下するという問題があった。
また、特許文献２に示される従来被覆工具においては、層厚方向に組成変化を形成することで高温硬さと耐熱性、靱性を両立せしめることができるが、層厚方向に形成される層内の異方性によって、層厚と垂直方向のクラックの発生・伝播を十分に防止することはできないという問題があった。
For example, in the conventional coated tool shown in Patent Document 1, a TiAlN layer which is one form of M 1-x Al x N is a layer having high hardness and excellent wear resistance, and the higher the Al content, the more resistant it is. Although it is excellent in wearability, on the other hand, there is a problem that chipping resistance is lowered because lattice strain increases.
Moreover, in the conventional coated tool shown by patent document 2, although high temperature hardness, heat resistance, and toughness can be made compatible by forming a composition change in the layer thickness direction, in the layer formed in the layer thickness direction Due to the anisotropy, the generation and propagation of cracks perpendicular to the layer thickness cannot be sufficiently prevented.
そこで、本発明者等は、上述の観点から、合金鋼などの高速断続切削加工のような、高熱発生を伴い、しかも、切刃に対して衝撃的・断続的な高負荷が作用する切削加工条件下で、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を両立し得る被覆工具を開発すべく、硬質被覆層の成分組成、結晶構造および層構造等に着目し研究を行った結果、次のような知見を得た。 In view of the above, the present inventors, from the above-mentioned viewpoint, are accompanied by high heat generation such as high-speed intermittent cutting of alloy steel and the like, and a cutting operation in which a shocking and intermittent high load acts on the cutting blade. As a result of conducting research focusing on the component composition, crystal structure and layer structure of the hard coating layer in order to develop a coated tool that can achieve both chipping resistance and wear resistance with excellent hard coating layer under the conditions, The following findings were obtained.
即ち、本発明者は、工具基体表面に、少なくともＴｉとＡｌの複合窒化物（以下、「ＴｉＡｌＮ」で示す場合がある。）層を含む硬質被覆層を設けた被覆工具において、該層におけるＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める組成割合を高くすることにより、まず、耐摩耗性を高め、これに加えて、ＴｉＡｌＮ層を構成する立方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒の結晶方位が揃っているかどうかの指標としてＩｍａｇｅ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ（以下、「ＩＣ値」という）と（１１２）配向性とを関連付けて制御し、特に、ＩＣ値が高く結晶方位が揃っている立方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒の（１１２）配向性を高めることにより、ＴｉＡｌＮ層の耐摩耗性を保持しつつ、耐チッピング性を向上させることができることを見出したのである。
その結果、本発明の被覆工具は、高熱発生を伴い、しかも、切刃に対して衝撃的・断続的な高負荷が作用する合金鋼等の高速断続切削加工条件下で、すぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を両立することができるのである。
That is, the inventor of the present invention provides a coated tool in which a hard coating layer including at least a composite nitride of Ti and Al (hereinafter sometimes referred to as “TiAlN”) layer is provided on the surface of the tool base. By increasing the composition ratio in the total amount of Ti and Al, first, wear resistance is improved, and in addition to this, whether the crystal orientation of the TiAlN crystal grains of the cubic structure constituting the TiAlN layer is aligned. Image Correlation Index (hereinafter referred to as “IC value”) and (112) orientation are controlled in association with each other, and in particular, (112) of TiAlN crystal grains having a cubic structure with a high IC value and a uniform crystal orientation. It was found that by increasing the orientation, the chipping resistance can be improved while maintaining the wear resistance of the TiAlN layer.
As a result, the coated tool of the present invention has excellent chipping resistance under high-speed interrupted cutting conditions such as alloy steel that is accompanied by high heat generation and impact and intermittent high load acts on the cutting edge. And wear resistance.
この発明は、上記の知見に基づいてなされたものであって、
「（１）ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメットおよび立方晶窒化硼素焼結体のいずれかからなる工具基体表面に、０．５〜１０．０μｍの平均層厚のＴｉとＡｌの複合窒化物層を少なくとも含む硬質被覆層が設けられた表面被覆切削工具において、
（ａ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層は、その組成を、
組成式：（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）Ｎ
で表した場合、０．６５≦ｘ≦０．９（ただし、ｘは原子比）を満足する平均組成を有し、
（ｂ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層は、少なくとも立方晶構造のＴｉとＡｌの複合窒化物からなる結晶粒を含み、
（ｃ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層の縦断面を透過型電子顕微鏡に付属する結晶方位解析装置を用いて解析し、立方晶構造のＴｉとＡｌの複合窒化物からなる各結晶粒について、それぞれの結晶粒内の各測定点で取得されるＩＣ値の最大値を当該結晶粒の代表ＩＣ値として求め、結晶粒毎の代表ＩＣ値を比較して、上位３０％以内の代表ＩＣ値を示した結晶粒について、それぞれの結晶粒の（１１２）面の法線と工具基体表面の法線とのなす角度を測定したとき、前記なす角度が２０度以下である結晶粒が、前記上位３０％以内の代表ＩＣ値を示した結晶粒の全面積に占める面積割合は３０％以上であることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）前記硬質被覆層は、前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層の単層により構成されていることを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆切削工具。
（３）前記硬質被覆層は、２層以上の積層構造として構成され、該積層構造のうちの少なくとも一つの層は、前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層により構成されていることを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆切削工具。」
を特徴とするものである。
This invention has been made based on the above findings,
“(1) A composite nitride of Ti and Al having an average layer thickness of 0.5 to 10.0 μm on the surface of a tool substrate made of any one of a WC-based cemented carbide, a TiCN-based cermet and a cubic boron nitride sintered body In a surface-coated cutting tool provided with a hard coating layer including at least a layer,
(A) The composite nitride layer of Ti and Al has the composition
Composition formula: (Ti 1-x Al x ) N
In this case, it has an average composition satisfying 0.65 ≦ x ≦ 0.9 (where x is an atomic ratio),
(B) The Ti and Al composite nitride layer includes crystal grains composed of at least a cubic Ti and Al composite nitride,
(C) A longitudinal section of the Ti and Al composite nitride layer is analyzed using a crystal orientation analyzer attached to a transmission electron microscope, and each crystal grain made of a Ti and Al composite nitride having a cubic structure is analyzed. The maximum IC value obtained at each measurement point in each crystal grain is obtained as the representative IC value of the crystal grain, and the representative IC value for each crystal grain is compared, and the representative IC value within the top 30% is compared. When the angle formed between the normal of the (112) plane of each crystal grain and the normal of the tool substrate surface is measured, the crystal grain having the angle of 20 degrees or less is A surface-coated cutting tool characterized in that an area ratio in a total area of crystal grains exhibiting a representative IC value within 30% is 30% or more.
(2) The surface-coated cutting tool according to (1), wherein the hard coating layer is formed of a single layer of the composite nitride layer of Ti and Al.
(3) The hard coating layer is configured as a laminated structure of two or more layers, and at least one layer of the laminated structure is configured by the composite nitride layer of Ti and Al. The surface-coated cutting tool according to (1) above. "
It is characterized by.
つぎに、この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.
ＴｉＡｌＮ層の平均層厚：
硬質被覆層は、少なくともＴｉＡｌＮ層を含むが、該ＴｉＡｌＮ層の平均層厚が０．５μｍ未満では、ＴｉＡｌＮ層によって付与される耐摩耗性向上効果、耐チッピング性向上効果が十分に発揮されず、一方、平均層厚が１０．０μｍを超えると、ＴｉＡｌＮ層の中の歪みが大きくなり自壊しやすくなるため、ＴｉＡｌＮ層の平均層厚は０．５〜１０．０μｍとする。
なお、ＴｉＡｌＮ層の平均層厚は、ＴｉＡｌＮ層の縦断面について走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて測定し、複数個所での測定値を平均することによって、その平均層厚とする。
Average thickness of the TiAlN layer:
The hard coating layer includes at least a TiAlN layer, but if the average thickness of the TiAlN layer is less than 0.5 μm, the wear resistance improving effect and chipping resistance improving effect imparted by the TiAlN layer are not sufficiently exhibited, On the other hand, when the average layer thickness exceeds 10.0 μm, the strain in the TiAlN layer increases and the layer itself tends to break, so the average layer thickness of the TiAlN layer is set to 0.5 to 10.0 μm.
In addition, the average layer thickness of a TiAlN layer is measured using the scanning electron microscope (SEM) about the longitudinal section of a TiAlN layer, and it is set as the average layer thickness by averaging the measured value in several places.
ＴｉＡｌＮ層の平均組成：
ＴｉＡｌＮ層を、
組成式：（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）Ｎ
で表した場合、０．６５≦ｘ≦０．９（ただし、ｘは原子比）を満足する平均組成を有することが必要である。
Ａｌ成分の平均組成を表すｘが０．９を超える場合には、六方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒の割合が高くなり、ＴｉＡｌＮ層の硬度が低下し十分な耐摩耗性を得ることができない。
一方、Ａｌ成分の平均組成を表すｘが０．６５未満となる場合には、Ａｌ成分の組成割合が減少するため、ＴｉＡｌＮ層の高温硬さおよび高温耐酸化性が低下する。
したがって、Ａｌ成分の平均組成ｘは、０．６５≦ｘ≦０．９とする。
Ａｌ成分の平均組成ｘは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）とエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）を用いて、ＴｉＡｌＮ層の縦断面の複数個所（例えば、３箇所）でＡｌ量を測定し、その測定値を平均することによって求めることができる。
なお、前記組成式において、Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ）の値は、必ずしも、化学量論比である０．５である必要はなく、工具基体表面の汚染の影響などで不可避的に検出される炭素や酸素などの元素をのぞいてＴｉ、Ａｌ、Ｎの含有割合の原子比を定量し、ＴｉとＡｌとＮの含有割合の原子比の合計に対するＮの含有割合の原子比が０．４５以上０．６５以下の範囲であれば、本発明のＴｉＡｌＮ層において同等の効果が得られ特に問題はない。
Average composition of TiAlN layer:
TiAlN layer,
Composition formula: (Ti 1-x Al x ) N
It is necessary to have an average composition satisfying 0.65 ≦ x ≦ 0.9 (where x is an atomic ratio).
When x representing the average composition of the Al component exceeds 0.9, the ratio of TiAlN crystal grains having a hexagonal crystal structure is increased, and the hardness of the TiAlN layer is lowered, so that sufficient wear resistance cannot be obtained.
On the other hand, when x representing the average composition of the Al component is less than 0.65, the composition ratio of the Al component decreases, so that the high-temperature hardness and high-temperature oxidation resistance of the TiAlN layer decrease.
Therefore, the average composition x of the Al component is 0.65 ≦ x ≦ 0.9.
For the average composition x of the Al component, the amount of Al is measured at a plurality of locations (for example, three locations) in the longitudinal section of the TiAlN layer using a scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). It can be obtained by averaging the measured values.
In the above composition formula, the value of N / (Ti + Al + N) does not necessarily need to be a stoichiometric ratio of 0.5. Carbon or carbon that is inevitably detected due to the influence of contamination on the surface of the tool base or the like. Excluding elements such as oxygen, the atomic ratio of the content ratio of Ti, Al, and N is quantified, and the atomic ratio of the content ratio of N to the total atomic ratio of the content ratios of Ti, Al, and N is 0.45 or more. In the range of 65 or less, the same effect can be obtained in the TiAlN layer of the present invention, and there is no particular problem.
ＴｉＡｌＮ層における立方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒：
本発明のＴｉＡｌＮ層は、所定の成膜法によって成膜することによって、該層を構成する立方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒のＩＣ値と（１１２）配向性を関連付けて制御することができ、これによって、ＴｉＡｌＮ層の耐摩耗性を保持しつつ、耐チッピング性を向上させることができる。
即ち、結晶性がすぐれているＩＣ値が高い立方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒について、各ＴｉＡｌＮ結晶粒の（１１２）面の法線と工具基体表面の法線とのなす角度が２０度以下となる結晶粒の面積割合を高めること、即ち、（１１２）配向性を高めることによって、高熱発生を伴い、しかも、切刃に対して衝撃的・断続的な高負荷が作用する高速断続切削加工条件下で、すぐれた耐摩耗性を保持しつつ、耐チッピング性を向上させることができる。
TiAlN crystal grains having a cubic structure in the TiAlN layer:
By forming the TiAlN layer of the present invention by a predetermined film formation method, the IC value of the TiAlN crystal grains having a cubic structure constituting the layer and the (112) orientation can be controlled in association with each other. Thus, the chipping resistance can be improved while maintaining the wear resistance of the TiAlN layer.
That is, for a TiAlN crystal grain having a cubic structure with excellent crystallinity and a high IC value, the angle formed between the normal of the (112) plane of each TiAlN crystal grain and the normal of the tool substrate surface is 20 degrees or less. By increasing the area ratio of crystal grains, that is, by increasing the (112) orientation, high heat generation occurs, and high-speed intermittent cutting conditions under which impact and intermittent high load act on the cutting blade Thus, chipping resistance can be improved while maintaining excellent wear resistance.
ここで、立方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒の特定は、次のように行う。
なお、本発明における「硬質被覆層の縦断面」とは、硬質被覆層と工具基体との界面（工具基体表面）に対して垂直方向の断面のことをいう。
ＴｉＡｌＮ層の縦断面の測定範囲において、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）に付属する結晶方位解析装置を用いて、前記測定範囲内の各測定点における（１１２）面の法線方向の角度を測定するとともに、隣接する測定点における（１１２）面の法線方向の角度差を求め、該角度差が５度以上の場合には、隣接する測定点の間にＴｉＡｌＮ結晶粒の粒界が存在するとして粒界の位置を定め、そして、粒界によって囲まれた領域をＴｉＡｌＮ結晶粒であるとする。
より詳細には以下の様に進める。
まず、ＴｉＡｌＮ層を含む硬質被覆層の縦断面を切り出した後、３０ｎｍ以下に研磨した切片をセットし、２００ｋＶに加速された電子線を前記切片の表面（すなわちＴｉＡｌＮ層を含む硬質被覆層に相当する表面）に照射することで観察を行う。次にＴｉＡｌＮ層を含む硬質被覆層の縦断面の観察結果から、結晶粒幅、面積割合及び工具基体表面に対する結晶方位の解析範囲を決める方法は以下の通りである。次いで、硬質被覆層の縦断面の観察画像における、硬質被覆層と工具基体との界面上の２点を任意で選定する。その際、２点間を線分でつないだ長さは１０００ｎｍになるよう選定する。結晶方位の解析範囲は、前記線分と平行方向に１０００ｎｍ（この方向を以下「解析範囲の横方向」と定義する）、垂直方向に最低４００ｎｍ（この方向を以下「解析範囲の縦方向」と定義する）の長方形の範囲とする。その際、前記の範囲には全てＴｉＡｌＮ層の縦断面のみ含める（工具基体、ならびにＴｉＡｌＮ層以外の硬質被覆層は含めない）。
前記の測定範囲において、結晶方位のマップデータを得る解析方法は以下の通りである。前記縦断面に、縦断面の表面の法線方向に対して０．５〜１．０度に傾けた電子線をＰｒｅｃｅｓｓｉｏｎ（歳差運動）照射しながら、電子線を任意のビーム径及び間隔でスキャンし、連続的に電子線回折パターンを取り込み、個々の測定点の結晶方位を解析する。なお、本測定に用いた回折パターンの取得条件は、カメラ長２０ｃｍ、ビームサイズ２．２ｎｍで、測定ステップは２．０ｎｍである。
さらに、ＩＣ値と結晶方位を以下のように求める。
個々の測定点の電子線回折パターンを、立方晶の任意の方位に対してあらかじめ計算した電子線回折パターンと比較し、最も良くマッチした結晶方位をその測定点の結晶方位として採用する。これはE.F.Rauch and L. Dupuy, Arch. Metall. Mater. 50 (2005) 87.による「Template Matching」という手法であり、下記に数式で示したデータ処理の概要を図２に示した。
立方晶の対称要素を考慮し全ての結晶方位を表現できるステレオ投影図の一部の範囲において、例えば１°の角度精度で計算した電子線回折パターンを用意する場合、およそ３０００通りのパターンが必要である。このパターンの種類を表わす係数をｉとし、計算した電子線回折パターン内での座標をｊとすると、測定点ｋにおけるＩＣ値を
と示す事が出来る。ここで
は、全てのパターンに対する大括弧[]の中の式の値の最大値を採用することを表わし、
は測定点ｋにおける電子線回折パターン内の座標ｊの強度、
は、ｉ番目の結晶方位に対して計算した電子線回折パターン内の座標ｊの強度を表わす。すなわち、最大値をとるiの示す結晶方位が、その測定点での結晶方位を表わし、その時のＩＣ（ｋ）値が測定点ｋにおけるＩＣ値となる。
得られる電子線回折パターンから個々の結晶粒を判別するための解析方法は、以下の通りである。まず、測定点の隣接点同士の（１１２）面の法線方向が５度以上離れている場合、測定点間を粒界と判断する。次に、粒界に囲まれている部分を結晶粒と定義する。ただし、この線分がＴｉＡｌＮ層表面、ＴｉＡｌＮ層と硬質被覆層が接する面、または工具基体表面と接する場合は、それぞれの表面または界面に隣接しＴｉＡｌＮ層に属する測定点を粒界に属する測定点とみなす。
以上の様にして得られたある立方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒に属する測定点に対し、工具基体表面の法線と（１１２）面の法線のなす角度を各測定点に対して求めてから平均値を得ることで、この値を該立方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒の（１１２）面の法線と工具基体表面の法線のなす角度とする。このようにして測定範囲内の全ての立方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒に対する（１１２）面の法線と工具基体表面の法線のなす角度が求められる。さらにＩＣ値に対しては結晶粒内の最大値をもってその結晶粒の代表ＩＣ値とする。上位３０％以内の代表ＩＣ値を示した結晶粒に属する全ての測定点の数で、（１１２）面の法線と工具基体表面の法線とのなす角度が２０度以下となる結晶粒に属する測定点の数を割り百分率に換算することで、以下に示すような本発明のＴｉＡlＮ層の特性を評価する面積割合を得る。
以上のようにして求めたＩＣ（ｋ）値の理論上の最大値１００は、測定点ｋにおいて試料切片を透過した電子線を散乱した基本格子の結晶方位が完全に同じ向きに揃っている事を表わす。逆に結晶方位を定めた最大ＩＣ（ｋ）値が小さいほど、試料切片を透過した電子線を散乱した基本格子の結晶方位にばらつきが大きいことを表わす。
Here, the identification of cubic AlTiN crystal grains is performed as follows.
The “longitudinal section of the hard coating layer” in the present invention refers to a cross section in a direction perpendicular to the interface between the hard coating layer and the tool base (tool base surface).
In the measurement range of the longitudinal section of the TiAlN layer, the angle in the normal direction of the (112) plane at each measurement point in the measurement range is measured using a crystal orientation analyzer attached to a transmission electron microscope (TEM). In addition, the angle difference in the normal direction of the (112) plane at the adjacent measurement points is obtained, and when the angle difference is 5 degrees or more, there is a grain boundary of TiAlN crystal grains between the adjacent measurement points. The position of the grain boundary is determined, and the region surrounded by the grain boundary is assumed to be TiAlN crystal grains.
In more detail, proceed as follows.
First, after cutting out a longitudinal section of a hard coating layer including a TiAlN layer, a section polished to 30 nm or less is set, and an electron beam accelerated to 200 kV is equivalent to the surface of the section (that is, a hard coating layer including a TiAlN layer) Observation is performed by irradiating the surface. Next, the method for determining the analysis range of the crystal grain width, the area ratio, and the crystal orientation with respect to the tool base surface from the observation result of the longitudinal section of the hard coating layer including the TiAlN layer is as follows. Next, two points on the interface between the hard coating layer and the tool base in the observation image of the longitudinal section of the hard coating layer are arbitrarily selected. At that time, the length connecting the two points with a line segment is selected to be 1000 nm. The analysis range of the crystal orientation is 1000 nm in a direction parallel to the line segment (this direction is hereinafter defined as “lateral direction of analysis range”), and a minimum of 400 nm in the vertical direction (hereinafter this direction is referred to as “longitudinal direction of analysis range”). Defined) rectangle range. At that time, all the above ranges include only the longitudinal section of the TiAlN layer (not including the tool base and the hard coating layer other than the TiAlN layer).
An analysis method for obtaining crystal orientation map data in the measurement range is as follows. While irradiating the longitudinal section with an electron beam inclined at 0.5 to 1.0 degree with respect to the normal direction of the surface of the longitudinal section (Precession), the electron beam is irradiated at an arbitrary beam diameter and interval. Scan and continuously capture the electron diffraction pattern and analyze the crystal orientation of each measurement point. The acquisition conditions of the diffraction pattern used in this measurement are a camera length of 20 cm, a beam size of 2.2 nm, and a measurement step of 2.0 nm.
Further, the IC value and crystal orientation are obtained as follows.
The electron diffraction pattern at each measurement point is compared with the electron diffraction pattern calculated in advance for an arbitrary orientation of the cubic crystal, and the best-matched crystal orientation is adopted as the crystal orientation at that measurement point. This is a method called “Template Matching” according to EFRauch and L. Dupuy, Arch. Metall. Mater. 50 (2005) 87. An outline of the data processing expressed by the following mathematical formula is shown in FIG.
When preparing an electron diffraction pattern calculated with an angular accuracy of 1 °, for example, within a range of a stereographic projection that can represent all crystal orientations in consideration of the symmetry element of cubic crystals, approximately 3000 patterns are required. It is. Assuming that the coefficient representing this pattern type is i and the coordinate in the calculated electron beam diffraction pattern is j, the IC value at the measurement point k is
Can be shown. here
Means to adopt the maximum value of the expression in square brackets [] for all patterns,
Is the intensity of the coordinate j in the electron diffraction pattern at the measurement point k,
Represents the intensity of the coordinate j in the electron diffraction pattern calculated for the i-th crystal orientation. That is, the crystal orientation indicated by i having the maximum value represents the crystal orientation at the measurement point, and the IC (k) value at that time is the IC value at the measurement point k.
An analysis method for discriminating individual crystal grains from the obtained electron beam diffraction pattern is as follows. First, when the normal direction of the (112) plane between adjacent points of the measurement points is 5 degrees or more apart, the measurement points are determined to be grain boundaries. Next, a portion surrounded by the grain boundary is defined as a crystal grain. However, when this line segment touches the surface of the TiAlN layer, the surface where the TiAlN layer and the hard coating layer are in contact, or the surface of the tool base, the measurement points belonging to the TiAlN layer adjacent to the respective surfaces or interfaces belong to the grain boundaries. It is considered.
For each measurement point, the angle formed by the normal of the tool base surface and the normal of the (112) plane is obtained for each measurement point belonging to a TiAlN crystal grain having a certain cubic structure obtained as described above. By obtaining an average value, this value is defined as an angle formed by the normal line of the (112) plane of the cubic TiAlN crystal grains and the normal line of the tool base surface. In this manner, the angle formed by the normal of the (112) plane and the normal of the tool substrate surface with respect to all cubic TiAlN crystal grains within the measurement range is obtained. Further, with respect to the IC value, the maximum value in the crystal grain is set as the representative IC value of the crystal grain. In the number of all measurement points belonging to the crystal grains showing the representative IC value within the upper 30%, the angle formed by the normal of the (112) plane and the normal of the tool substrate surface is 20 degrees or less. By converting the number of measurement points to which the measurement points belong to a percentage, an area ratio for evaluating the characteristics of the TiAlN layer of the present invention as described below is obtained.
The theoretical maximum value 100 of the IC (k) value obtained as described above is that the crystal orientations of the basic lattice that scattered the electron beam transmitted through the sample piece at the measurement point k are perfectly aligned. Represents. Conversely, the smaller the maximum IC (k) value defining the crystal orientation, the greater the variation in the crystal orientation of the basic lattice that scattered the electron beam transmitted through the sample section.
すなわち、ＩＣ値が高い立方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒とは、ＴｉＡｌＮ層の縦断面を透過型電子顕微鏡に付属する結晶方位解析装置を用いて解析し、前記で特定された立方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒について、それぞれの結晶粒内の各測定点で取得されるＩＣ値を求め、各結晶粒で求めたＩＣ値の最大値を当該結晶粒の代表ＩＣ値とし、それぞれの結晶粒の代表ＩＣ値を比較し、上位３０％以内の代表ＩＣ値を示す結晶方位の揃った立方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒をいう。 That is, the cubic structure TiAlN crystal grains having a high IC value are obtained by analyzing the longitudinal section of the TiAlN layer using a crystal orientation analyzer attached to a transmission electron microscope, and identifying the TiAlN crystal having the cubic structure specified above. For each grain, an IC value obtained at each measurement point in each crystal grain is obtained, and the maximum IC value obtained for each crystal grain is taken as the representative IC value of the crystal grain, and the representative IC value of each crystal grain And a TiAlN crystal grain having a cubic crystal structure with a representative crystal value within the top 30%.
ついで、上位３０％以内の代表ＩＣ値を示す前記立方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒について、透過型電子顕微鏡に付属する結晶方位解析装置を用いて、前記各結晶粒の（１１２）面の法線方向と工具基体表面の法線方向とのなす角度を測定し、前記なす角度が２０度以下であるＴｉＡｌＮ結晶粒を特定するとともに、前記なす角度が２０度以下である結晶粒の占める面積割合を、前記上位３０％以内の代表ＩＣ値を示すＴｉＡｌＮ結晶粒の全面積の３０％以上とすることによって、ＴｉＡｌＮ層は、すぐれた耐摩耗性とすぐれた耐チッピング性を発揮することができる。
なお、上位３０％以内の代表ＩＣ値を示すＴｉＡｌＮ結晶粒の（１１２）面の法線方向と工具基体表面の法線方向とのなす角度が２０度以下であるＴｉＡｌＮ結晶粒の面積、また、上位３０％以内の代表ＩＣ値を示すＴｉＡｌＮ結晶粒の全面積は、それぞれの測定点の数に比例するといえるから、それぞれに該当する測定点の割合によって、上位３０％以内の代表ＩＣ値を示すＴｉＡｌＮ結晶粒の（１１２）面の法線方向と工具基体表面の法線方向とのなす角度が２０度以下であるＴｉＡｌＮ結晶粒の占める面積割合を算出することができる。
Next, with respect to the cubic structure TiAlN crystal grains showing representative IC values within the top 30%, the normal direction of the (112) plane of each crystal grain using a crystal orientation analyzer attached to the transmission electron microscope And the angle formed by the normal direction of the tool substrate surface, the TiAlN crystal grains that the angle formed is 20 degrees or less is specified, and the area ratio of the crystal grains that the angle formed is 20 degrees or less, By making it 30% or more of the total area of the TiAlN crystal grains showing the representative IC value within the upper 30%, the TiAlN layer can exhibit excellent wear resistance and excellent chipping resistance.
The area of the TiAlN crystal grains in which the angle formed by the normal direction of the (112) plane of the TiAlN crystal grains showing the representative IC value within the top 30% and the normal direction of the tool base surface is 20 degrees or less, Since it can be said that the total area of the TiAlN crystal grains showing the representative IC value within the top 30% is proportional to the number of the respective measurement points, the representative IC value within the top 30% is indicated by the ratio of the corresponding measurement points. It is possible to calculate the area ratio of the TiAlN crystal grains whose angle between the normal direction of the (112) plane of the TiAlN crystal grains and the normal direction of the tool base surface is 20 degrees or less.
本発明のＴｉＡｌＮ層の成膜法：
本発明のＴｉＡｌＮ層は、例えば、アンバランスドマグネトロンスパッタリング装置とアークイオンプレーティング装置を併設した物理蒸着装置（以下、「ＵＢＭＳ／ＡＩＰ装置」という）を用いたアンバランスドマグネトロンスパッタリング（以下、単に「ＵＢＭＳ」という）とアークイオンプレーティング（以下、単に「ＡＩＰ」という）による同時蒸着によって成膜することができる。
本発明のＴｉＡｌＮ層を成膜するための、ＵＢＭＳ／ＡＩＰ装置の概略平面図を図１Ａに示し、同概略正面図を図１Ｂに示す。
図１Ａ、図１Ｂに示すＵＢＭＳ／ＡＩＰ装置において、工具基体を保持部材のほぼ中央部分で自転可能に保持するとともに、保持部材の下端または両端を、ＵＢＭＳ／ＡＩＰ装置の上方及び下方に設けた支持部材で支持し、ＵＢＭＳ／ＡＩＰ装置の側壁にはＴｉ−Ａｌ合金からなるＡＩＰ用カソード電極（ターゲット）を配置し、また、これに近接する装置の側壁には、金属ＴｉからなるＵＢＭＳ用カソード電極（ターゲット）を配置する。
ＴｉＡｌＮ層の成膜にあたっては、工具基体を所定の温度範囲に加熱し、反応ガスを装置内に導入し、前記ＡＩＰ用カソード電極（ターゲット）とＵＢＭＳ用カソード電極（ターゲット）を同時放電させて、両カソード電極（ターゲット）によって形成されるプラズマ領域が重なるような位置に工具基体を位置させ、工具基体を自転させつつ蒸着を行うことによって、本発明のＴｉＡｌＮ層を形成することができる。
Film formation method of TiAlN layer of the present invention:
The TiAlN layer of the present invention is formed by, for example, unbalanced magnetron sputtering (hereinafter simply referred to as “UBMS / AIP device”) using a physical vapor deposition device (hereinafter referred to as “UBMS / AIP device”) provided with an unbalanced magnetron sputtering device and an arc ion plating device. The film can be formed by simultaneous vapor deposition using “UBMS” and arc ion plating (hereinafter simply referred to as “AIP”).
A schematic plan view of a UBMS / AIP apparatus for forming a TiAlN layer of the present invention is shown in FIG. 1A and a schematic front view thereof is shown in FIG. 1B.
In the UBMS / AIP apparatus shown in FIGS. 1A and 1B, the tool base is held so as to be able to rotate at the substantially central portion of the holding member, and the lower end or both ends of the holding member are provided above and below the UBMS / AIP apparatus. The AIP cathode electrode (target) made of Ti-Al alloy is arranged on the side wall of the UBMS / AIP device supported by the member, and the cathode electrode for UBMS made of metal Ti is placed on the side wall of the device adjacent thereto. (Target) is placed.
In forming the TiAlN layer, the tool base is heated to a predetermined temperature range, a reaction gas is introduced into the apparatus, and the cathode electrode for AIP (target) and the cathode electrode for UBMS (target) are discharged simultaneously, The TiAlN layer of the present invention can be formed by positioning the tool base at a position where the plasma regions formed by both cathode electrodes (targets) overlap and performing deposition while rotating the tool base.
本発明の被覆工具は、硬質被覆層を前記ＴｉＡｌＮ層の単層として形成することができるが、２層以上の積層構造として構成された硬質被覆層のうちの少なくとも一つの層を、前記ＴｉＡｌＮ層により構成しても良い。 In the coated tool of the present invention, the hard coating layer can be formed as a single layer of the TiAlN layer, but at least one of the hard coating layers configured as a laminated structure of two or more layers is formed as the TiAlN layer. You may comprise by.
本発明の硬質被覆層は少なくともＴｉＡｌＮ層を含み、前記ＴｉＡｌＮ層は、少なくとも立方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒を含み、前記ＴｉＡｌＮ結晶粒のうちの代表ＩＣ値が高いＴｉＡｌＮ結晶粒について、各結晶粒の（１１２）面の法線方向と工具基体表面の法線方向とのなす角度を測定した場合、前記なす角度が２０度以下であるＴｉＡｌＮ結晶粒が、前記代表ＩＣ値が高いＴｉＡｌＮ結晶粒の全面積の３０％以上の面積割合を占めるため、結晶性に優れたＴｉＡｌＮ結晶粒の（１１２）配向性が高められている。
したがって、このようなＴｉＡｌＮ層を含む硬質被覆層を被覆形成した本発明の被覆工具は、高熱発生を伴い、しかも、切刃に対して衝撃的・断続的な高負荷が作用する合金鋼等の高速断続切削加工条件下で、すぐれた耐摩耗性とすぐれた耐チッピング性を両立することができる。
The hard coating layer of the present invention includes at least a TiAlN layer, and the TiAlN layer includes at least cubic TiAlN crystal grains, and TiAlN crystal grains having a high representative IC value among the TiAlN crystal grains are provided for each crystal grain. When the angle formed between the normal direction of the (112) plane and the normal direction of the tool substrate surface is measured, the TiAlN crystal grains whose angle is 20 degrees or less are all TiAlN crystal grains having a high representative IC value. Since it occupies an area ratio of 30% or more of the area, the (112) orientation of TiAlN crystal grains excellent in crystallinity is enhanced.
Therefore, the coated tool of the present invention in which a hard coating layer including such a TiAlN layer is formed is accompanied by high heat generation, and alloy steel or the like in which a shocking and intermittent high load acts on the cutting blade. It is possible to achieve both excellent wear resistance and excellent chipping resistance under high-speed interrupted cutting conditions.
つぎに、この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基超硬合金を工具基体とする被覆工具について説明するが、ＴｉＣＮ基サーメットあるいは立方晶窒化硼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。
また、硬質被覆層の構造としては、ＴｉＡｌＮ層の単層の場合について説明するが、ＴｉＡｌＮ層が２層以上の積層構造のうちの少なくとも一つの層を構成する複層構造の場合であっても、複層構造におけるＴｉＡｌＮ層は、単層のＴｉＡｌＮ層と同様な作用効果を奏する。
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 as a tool base will be described, but the same applies to a coated tool using a TiCN-based cermet or a cubic boron nitride sintered body as a tool base.
The structure of the hard coating layer will be described in the case of a single layer of TiAlN layer. However, even if the TiAlN layer has a multilayer structure in which at least one layer of two or more layers is formed. In addition, the TiAlN layer in the multilayer structure has the same effects as the single-layer TiAlN layer.
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、ＴｉＣ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基超硬合金工具基体１、２を製造した。 As raw material powders, Co powder, TaC powder, NbC powder, TiC powder, Cr 3 C 2 powder and WC powder, all having an average particle diameter of 0.5 to 5 μm, were prepared. Blended into the composition shown, further added with wax, wet mixed in a ball mill for 72 hours, dried under reduced pressure, press-molded at a pressure of 100 MPa, and sintered these compacts to a predetermined size. The WC-based cemented carbide tool bases 1 and 2 having an ISO standard SEEN1203AFEN insert shape were manufactured.
上記の工具基体１、２のそれぞれを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した後、ＵＢＭＳ用金属Ｔｉカソード電極（ターゲット）とＡＩＰ用の所定組成のＴｉ−Ａｌ合金カソード電極（ターゲット）が設けられた図１Ａ、図１Ｂに示すＵＢＭＳ／ＡＩＰ装置内に配置し、かつ、その配置位置は、工具基体を自転可能に保持する保持部材のほぼ中央部であって、Ｔｉ−Ａｌ合金カソード電極（ターゲット）と金属Ｔｉカソード電極（ターゲット）からほぼ等距離であり、両カソード電極（ターゲット）によって形成されるプラズマ領域が重なるような位置（例えば、図１（ａ）に示す４箇所）に配置した。
ＵＢＭＳ／ＡＩＰ装置内には、装置内を排気して真空に保持しながら、ヒータで工具基体を４００℃に加熱した後、前記保持部材に保持されて自転する工具基体に−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ、Ｔｉ−Ａｌ合金カソード電極（ターゲット）に１００Ａのアーク電流を流してアーク放電を発生させ、もって工具基体表面をボンバード洗浄した。
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に示す窒素圧にすると共に、前記自転する工具基体の温度を表２に示す温度範囲に加熱維持し、表２に示すバイアス電圧を工具基体に印加し、表２に示す所定組成のＴｉ−Ａｌ合金カソード電極（ターゲット）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、アークイオンプレーティングを行った。
さらに、前記アークイオンプレーティングと同時に、工具基体と金属Ｔｉカソード電極（ターゲット）に表２に示すバイアスを印加するとともに、金属Ｔｉカソード電極（ターゲット）に表２に示す電圧を印加することにより、アンバランスドマグネトロンスパッタリングを行った。
上記の工程で、アンバランスドマグネトロンスパッタリングとアークイオンプレーティングを同時に行うことにより、本発明のＴｉＡｌＮ層を成膜した表４に示す本発明被覆工具１〜１０（以下、本発明工具１〜１０という）を製造した。
Each of the tool bases 1 and 2 is ultrasonically cleaned in acetone and dried, and then provided with a metal Ti cathode electrode (target) for UBMS and a Ti-Al alloy cathode electrode (target) having a predetermined composition for AIP. 1A and 1B, and the arrangement position is substantially the center of a holding member that holds the tool base in a rotatable manner, and is a Ti-Al alloy cathode electrode ( The target is approximately equidistant from the metal Ti cathode electrode (target), and the plasma regions formed by the two cathode electrodes (target) overlap each other (for example, four locations shown in FIG. 1A). .
In the UBMS / AIP apparatus, the tool base is heated to 400 ° C. with a heater while the inside of the apparatus is evacuated and held in vacuum, and then the DC bias voltage of −1000 V is applied to the tool base that is held by the holding member and rotates. Was applied, and an arc current of 100 A was applied to the Ti—Al alloy cathode electrode (target) to generate an arc discharge, whereby the tool base surface was bombarded.
Next, nitrogen gas is introduced as a reaction gas into the apparatus to obtain the nitrogen pressure shown in Table 2, and the temperature of the rotating tool base is maintained within the temperature range shown in Table 2, and the bias voltage shown in Table 2 is set. Arc ion plating was performed by applying the arc current shown in Table 2 to a Ti—Al alloy cathode electrode (target) having a predetermined composition shown in Table 2 to generate an arc discharge.
Furthermore, simultaneously with the arc ion plating, by applying the bias shown in Table 2 to the tool base and the metal Ti cathode electrode (target), and applying the voltage shown in Table 2 to the metal Ti cathode electrode (target), Unbalanced magnetron sputtering was performed.
In the above process, the unbalanced magnetron sputtering and arc ion plating are simultaneously performed to form the TiAlN layer of the present invention, and the present coated tools 1 to 10 shown in Table 4 (hereinafter referred to as the present invention tools 1 to 10). Manufactured).
比較の目的で、図１に示すＵＢＭＳ／ＡＩＰ装置を用いて、工具基体１、２のそれぞれに、本発明工具１〜１０の場合と同様な条件でボンバード洗浄を施したのち、表３に示すアークイオンプレーティング条件のみでＴｉＡｌＮ層を形成することにより、表５に示す比較例被覆工具１〜５（以下、比較例工具１〜５という）をそれぞれ製造した。 For comparison purposes, each of the tool bases 1 and 2 is subjected to bombard cleaning under the same conditions as in the case of the inventive tools 1 to 10 using the UBMS / AIP apparatus shown in FIG. By forming the TiAlN layer only under arc ion plating conditions, comparative example coated tools 1 to 5 (hereinafter referred to as comparative example tools 1 to 5) shown in Table 5 were produced.
上記で作製した本発明工具１〜１０および比較例工具１〜５のＴｉＡｌＮ層について、走査型電子顕微鏡を用いて断面測定し、５ヶ所の測定値の平均値から、平均層厚を算出した。
また、本発明工具１〜１０、比較例工具１〜５のＴｉＡｌＮ層におけるＡｌ成分の組成を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）とエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）を用いて、層厚方向に０．４μｍ以上、基体表面に平行な方向に０．４μｍ以上の視野範囲で測定し、３箇所の測定値の平均値を、ＴｉＡｌＮ層のＡｌ成分の平均組成ｘとして求めた。
表４、表５に、それぞれの値を示す。
About TiAlN layer of this invention tool 1-10 produced above and comparative example tools 1-5, a cross section was measured using the scanning electron microscope, and average layer thickness was computed from the average value of five measured values.
Further, the composition of the Al component in the TiAlN layers of the inventive tools 1 to 10 and the comparative tools 1 to 5 is measured in the layer thickness direction using a scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). In the direction parallel to the substrate surface, the average value of three measured values was obtained as the average composition x of the Al component of the TiAlN layer.
Tables 4 and 5 show the respective values.
また、本発明工具１〜１０のＴｉＡｌＮ層および比較例工具１〜５のＴｉＡｌＮ層の縦断面の４００ｎｍ×１０００ｎｍの測定領域について、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）に付属する結晶方位解析装置を用いて、測定範囲内の各測定点（２．０ｎｍピッチ間隔）における（１１２）面の法線方向が、工具基体表面の法線方向に対する傾斜角度を測定するとともに、隣接する測定点における傾斜角度の差を求め、該角度差が５度以上の場合に、隣接する測定点の間にＴｉＡｌＮ結晶粒の粒界が存在するとして粒界の位置を定め、さらに、粒界によって囲まれた領域をＴｉＡｌＮ結晶粒であるとして定めた。
ついで、ＴｉＡｌＮ層の縦断面を透過型電子顕微鏡に付属する結晶方位解析装置を用いて解析し、前記で定めた立方晶構造のＴｉＡｌＮ結晶粒のそれぞれについて、各結晶粒内の各測定点におけるＩＣ値を測定するとともに、それぞれの結晶粒内の各測定点で取得されたＩＣ値の最大値を求め、この値を、それぞれの結晶粒の代表ＩＣ値とした。
ついで、前記代表ＩＣ値をそれぞれの結晶粒について比較し、代表ＩＣ値の大きい順に並べ、その上位３０％以内の代表ＩＣ値を示す結晶粒を選定し、これらの選定した結晶粒について、透過型電子顕微鏡に付属する結晶方位解析装置を用いて、それぞれの結晶粒の（１１２）面の法線方向と工具基体表面の法線方向とのなす角度が２０度以下であるＴｉＡｌＮ結晶粒を特定するとともに、該特定された結晶粒が占める面積ｓを求めるとともに、前記上位３０％以内の代表ＩＣ値を示すＴｉＡｌＮ結晶粒の全面積Ｓを測定した。
（ｓ／Ｓ）×１００の値を算出することによって、上位３０％以内の代表ＩＣ値を示す結晶粒のうちの、（１１２）面の法線方向と工具基体表面の法線方向とのなす角度が２０度以下であるＴｉＡｌＮ結晶粒が、前記上位３０％以内の代表ＩＣ値を示した結晶粒の全面積に占める面積割合を求めた。
表４、表５に、それぞれの値を示す。
Moreover, about the measurement area | region of 400 nm x 1000 nm of the longitudinal cross-section of the TiAlN layer of this invention tool 1-10 and the TiAlN layer of comparative example tools 1-5, using the crystal orientation analyzer attached to a transmission electron microscope (TEM). The normal direction of the (112) plane at each measurement point (2.0 nm pitch interval) within the measurement range measures the inclination angle with respect to the normal direction of the tool base surface, and the difference in inclination angle between adjacent measurement points When the angle difference is 5 degrees or more, the position of the grain boundary is determined on the assumption that there is a TiAlN crystal grain boundary between adjacent measurement points, and the region surrounded by the grain boundary is further defined as TiAlN crystal. Determined to be grains.
Next, the longitudinal section of the TiAlN layer is analyzed using a crystal orientation analyzer attached to a transmission electron microscope, and the IC at each measurement point in each crystal grain is determined for each of the TiAlN crystal grains having the cubic structure defined above. While measuring the value, the maximum value of the IC values obtained at each measurement point in each crystal grain was determined, and this value was taken as the representative IC value of each crystal grain.
Next, the representative IC values are compared for the respective crystal grains, arranged in descending order of the representative IC values, and crystal grains showing the representative IC values within the top 30% are selected. Using a crystal orientation analyzer attached to the electron microscope, TiAlN crystal grains whose angle between the normal direction of the (112) plane of each crystal grain and the normal direction of the tool substrate surface is 20 degrees or less are specified. At the same time, the area s occupied by the identified crystal grains was determined, and the total area S of TiAlN crystal grains showing the representative IC values within the upper 30% was measured.
By calculating the value of (s / S) × 100, the normal direction of the (112) plane and the normal direction of the tool base surface among the crystal grains showing the representative IC values within the top 30% are formed. The area ratio of the TiAlN crystal grains having an angle of 20 degrees or less to the total area of the crystal grains showing the representative IC values within the upper 30% was determined.
Tables 4 and 5 show the respective values.
次いで、本発明工具１〜１０および比較例工具１〜５について、以下の条件で、高速断続切削の一種である乾式高速正面フライス、センターカット切削加工試験を実施し、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
切削試験：乾式高速正面フライス、センターカット切削加工、
カッタ径： １２５ ｍｍ、
被削材： ＪＩＳ・ＳＣＭ４４５ 幅１００ｍｍ、長さ３６５ｍｍのブロック材、
切削速度： ３６５ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み： ２．１ ｍｍ、
一刃送り量： ０．２１ ｍｍ／刃、
切削時間： ７．５ 分、
表６に、試験結果を示す。
Next, with respect to the inventive tools 1 to 10 and the comparative tools 1 to 5, a dry high-speed face milling, which is a kind of high-speed interrupted cutting, and a center-cut cutting test are performed under the following conditions, and the flank wear width of the cutting edge Was measured.
Cutting test: dry high-speed face milling, center cutting,
Cutter diameter: 125 mm,
Work material: JIS / SCM445 Block material with a width of 100 mm and a length of 365 mm,
Cutting speed: 365 m / min,
Cutting depth: 2.1 mm,
Single blade feed amount: 0.21 mm / tooth,
Cutting time: 7.5 minutes,
Table 6 shows the test results.
表６に示される結果から、本発明のＴｉＡｌＮ層は、代表ＩＣ値が高い結晶性に優れた立方晶のＴｉＡｌＮ結晶粒の（１１２）配向性を高めているため、本発明の被覆工具は、高熱発生を伴い、しかも、切刃に対して衝撃的・断続的な高負荷が作用する合金鋼等の高速断続切削加工条件下で、すぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を両立することができる。
これに対して、本発明で規定するＴｉＡｌＮ層を具備しない比較例工具は、チッピングの発生あるいは耐摩耗性の低下によって、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
From the results shown in Table 6, since the TiAlN layer of the present invention has improved (112) orientation of cubic TiAlN crystal grains having a high representative IC value and excellent crystallinity, the coated tool of the present invention is Excellent chipping resistance and wear resistance can be achieved under high-speed interrupted cutting conditions such as alloy steel, which is accompanied by high heat generation and impact and intermittent high load acts on the cutting edge. .
On the other hand, it is apparent that the comparative tool that does not have the TiAlN layer defined in the present invention reaches the service life in a relatively short time due to the occurrence of chipping or a decrease in wear resistance.
この発明の被覆工具は、高熱発生を伴い、しかも、切刃に対して衝撃的・断続的な高負荷が作用する合金鋼などの高速断続切削加工に供した場合に、すぐれた耐チッピング性とともに長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するものであるから、切削加工装置のＦＡ化、並びに切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に十分満足に対応できるものである。
The coated tool of the present invention has excellent chipping resistance when it is subjected to high-speed intermittent cutting such as alloy steel that is accompanied by high heat generation and impact and intermittent high load acts on the cutting edge. Since it exhibits excellent wear resistance over a long period of use, it can satisfactorily respond to the FA of the cutting device, the labor saving and energy saving of the cutting, and the cost reduction.
Claims (3)
（ａ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層は、その組成を、
組成式：（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）Ｎ
で表した場合、０．６５≦ｘ≦０．９（ただし、ｘは原子比）を満足する平均組成を有し、
（ｂ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層は、少なくとも立方晶構造のＴｉとＡｌの複合窒化物からなる結晶粒を含み、
（ｃ）前記ＴｉとＡｌの複合窒化物層の縦断面を透過型電子顕微鏡に付属する結晶方位解析装置を用いて解析し、立方晶構造のＴｉとＡｌの複合窒化物からなる各結晶粒について、それぞれの結晶粒内の各測定点で取得されるＩＣ値の最大値を当該結晶粒の代表ＩＣ値として求め、結晶粒毎の代表ＩＣ値を比較して、上位３０％以内の代表ＩＣ値を示した結晶粒について、それぞれの結晶粒の（１１２）面の法線と工具基体表面の法線とのなす角度を測定したとき、前記なす角度が２０度以下である結晶粒が、前記上位３０％以内の代表ＩＣ値を示した結晶粒の全面積に占める面積割合は３０％以上であることを特徴とする表面被覆切削工具。 At least a composite nitride layer of Ti and Al having an average layer thickness of 0.5 to 10.0 μm is included on the surface of a tool base made of any one of a WC-based cemented carbide, a TiCN-based cermet, and a cubic boron nitride sintered body. In surface-coated cutting tools provided with a hard coating layer,
(A) The composite nitride layer of Ti and Al has the composition
Composition formula: (Ti 1-x Al x ) N
In this case, it has an average composition satisfying 0.65 ≦ x ≦ 0.9 (where x is an atomic ratio),
(B) The Ti and Al composite nitride layer includes crystal grains composed of at least a cubic Ti and Al composite nitride,
(C) A longitudinal section of the Ti and Al composite nitride layer is analyzed using a crystal orientation analyzer attached to a transmission electron microscope, and each crystal grain made of a Ti and Al composite nitride having a cubic structure is analyzed. The maximum IC value obtained at each measurement point in each crystal grain is obtained as the representative IC value of the crystal grain, and the representative IC value for each crystal grain is compared, and the representative IC value within the top 30% is compared. When the angle formed between the normal of the (112) plane of each crystal grain and the normal of the tool substrate surface is measured, the crystal grain having the angle of 20 degrees or less is A surface-coated cutting tool characterized in that an area ratio in a total area of crystal grains exhibiting a representative IC value within 30% is 30% or more.
2. The hard coating layer is configured as a stacked structure of two or more layers, and at least one of the stacked structures is configured of a composite nitride layer of Ti and Al. The surface-coated cutting tool according to 1.
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