JP5555834B2 - Surface-coated cutting tool for milling with excellent wear resistance and method for producing the same - Google Patents
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Description
この発明は、鋼や鋳鉄等の高速高送りミーリング加工において、硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具(以下、被覆工具という)およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a surface-coated cutting tool (hereinafter referred to as a coated tool) that exhibits excellent wear resistance with a hard coating layer in high-speed and high-feed milling processing of steel, cast iron, and the like, and a method for manufacturing the same.
従来の被覆工具においては、その硬質被覆層は、通常、CVD法、アークイオンプレーティング、マグネトロンスパッタリング、アンバランスドマグネトロンスパッタ等のPVD法によって形成されていたが、近時、PLD法による薄膜の成膜法が注目されている。 In conventional coated tools, the hard coating layer is usually formed by PVD methods such as CVD, arc ion plating, magnetron sputtering, unbalanced magnetron sputtering, etc. A film forming method has attracted attention.
PLD法を用いた被覆工具として、炭化タングステン(以下、WCで示す)基超硬合金または炭窒化チタン(以下、TiCNで示す)基サーメットからなる基体(以下、これらを総称して工具基体という)の表面に、
(a)化学蒸着または物理蒸着で形成されたチタンの炭化物(以下、TiCで示す)層、窒化物(以下、TiNで示す)層、炭窒化物(以下、TiCNで示す)層およびチタンとアルミニウムの複合窒化物(以下、(TiAl)Nで示す)層のうちの1層または2層以上からなり、かつ、0.3〜3μmの全体平均層厚を有するチタン化合物層からなる下部層を形成し、
(b)前記下部層表面に磁場印加状態でイットリウム安定化ジルコニア(以下、YSZで示す)からなるターゲットにレーザーを照射するいわゆるPLD法(Pulsed Laser Deposition:パルスレーザー堆積法)により形成された(001)面配向性を有し、0.02〜0.2μmの層厚のイットリウム安定化ジルコニア(以下、YSZで示す)層からなる密着層を形成し、
(c)前記密着層の上にクロム酸化物またはクロム酸化物とα−アルミナの混合体からなるターゲットを用いて、前記(b)と同様な手法で0.02〜0.2μmの層厚の(0001)面配向性を有し、かつ、アルミニウムとの合量に占めるクロムの含有割合(Cr/(Cr+Al))が0.2〜1(但し、原子比)であるクロムとアルミニウの酸化物固溶体[以下、(Cr,Al)2O3で示す]層、あるいは、クロムの酸化物層からなる中間層を形成し、
(d)前記中間層の上にα−アルミナまたはクロム酸化物とα−アルミナの混合体からなるターゲットを用いて、前記(c)と同様な手法でアルミニウムとの合量に占めるクロムの含有割合(Cr/(Cr+Al))が0.15以下(但し、原子比)である六方晶の結晶構造を有するクロムとアルミニウムの酸化物固溶体[以下、(Cr,Al)2O3で示す]層、あるいは、α−アルミナ層からなる上部層を形成することにより構成された硬質被覆層を形成してなる被覆工具が知られている(以下、特許文献1参照)。
As a coated tool using the PLD method, a substrate made of tungsten carbide (hereinafter referred to as WC) based cemented carbide or titanium carbonitride (hereinafter referred to as TiCN) based cermet (hereinafter collectively referred to as a tool substrate) On the surface of the
(A) Titanium carbide (hereinafter referred to as TiC) layer, nitride (hereinafter referred to as TiN) layer, carbonitride (hereinafter referred to as TiCN) layer, titanium and aluminum formed by chemical vapor deposition or physical vapor deposition A lower layer made of a titanium compound layer made of one or more of the composite nitride (hereinafter referred to as (TiAl) N) layers and having an overall average layer thickness of 0.3 to 3 μm is formed. And
(B) The lower layer surface is formed by a so-called PLD method (Pulsed Laser Deposition) in which a target made of yttrium-stabilized zirconia (hereinafter referred to as YSZ) is irradiated with a magnetic field (001). ) Having a plane orientation and forming an adhesion layer composed of a yttrium-stabilized zirconia (hereinafter referred to as YSZ) layer having a layer thickness of 0.02 to 0.2 μm
(C) Using a target made of chromium oxide or a mixture of chromium oxide and α-alumina on the adhesion layer, a layer thickness of 0.02 to 0.2 μm is obtained in the same manner as in the above (b). Chromium and aluminum oxide having (0001) plane orientation and a chromium content (Cr / (Cr + Al)) in the total amount with aluminum of 0.2 to 1 (however, atomic ratio) solid solution [hereinafter, (Cr, Al) indicated by 2 O 3] layer, or to form an intermediate layer of an oxide layer of chromium,
(D) The content ratio of chromium in the total amount with aluminum in the same manner as in (c) above, using a target made of α-alumina or a mixture of chromium oxide and α-alumina on the intermediate layer. A chromium-aluminum oxide solid solution [hereinafter referred to as (Cr, Al) 2 O 3 ] layer having a hexagonal crystal structure in which (Cr / (Cr + Al)) is 0.15 or less (however, atomic ratio); Or the coating tool formed by forming the hard coating layer comprised by forming the upper layer which consists of (alpha)-alumina layers is known (refer patent document 1 hereafter).
前述したPLD法に用いられる装置の概要を図1に示すが、このPLD法によれば、ターゲットにエキシマレーザーを照射し、ターゲット−基板間に配置した電磁石で磁場を印加・調整して成膜すると、成膜に関与するプルーム(電子、イオン、中性の原子や分子、多原子分子やクラスタ等の集合体)を高い電子温度や運動エネルギーを維持した状態で用いることができるため、成膜の結晶構造や特性を制御できる上、多種類のターゲットを使用することができ、さらに、ターゲットと膜組成のズレが少なく、コンタミネーションも少なくできることが知られている。 FIG. 1 shows an outline of an apparatus used in the above-described PLD method. According to this PLD method, a target is irradiated with an excimer laser, and a magnetic field is applied and adjusted by an electromagnet disposed between the target and the substrate. Then, plumes (electrons, ions, neutral atoms and molecules, aggregates of polyatomic molecules, clusters, etc.) involved in film formation can be used while maintaining a high electron temperature and kinetic energy. It is known that a variety of targets can be used in addition to control of the crystal structure and characteristics of the film, and there is little deviation between the target and the film composition, and contamination can be reduced.
前記被覆工具は、Ti化合物層からなる下部層を化学蒸着または物理蒸着で形成した後、例えば、図1に示すような装置を用いて、
ターゲット: イットリウム安定化ジルコニア(YSZ)
真空中の酸素分圧: 1×10−2〜10Pa
工具基体の温度: 500〜850℃
磁場強度: 2000Ga以下
の条件で密着層を形成し、
ついで、前記密着層の上に、前記と同様な装置をもちいて、
ターゲット: Cr2O3あるいはCr2O3とα−Al2O3との混合体
真空中の酸素分圧: 1×10−2〜10Pa
工具基体の温度: 500〜850℃
磁場強度: 2000Ga以下
の条件で中間層を形成し、
ついで、前記中間層の上に、前記と同様な装置をもちいて、
ターゲット: α−Al2O3あるいはCr2O3とα−Al2O3との混合体
真空中の酸素分圧: 1×10−2〜10Pa
工具基体の温度: 500〜850℃
磁場強度: 2000Ga以下
の条件で上部層を形成することにより製造されることが知られている。
For example, using the apparatus shown in FIG. 1 after forming the lower layer made of the Ti compound layer by chemical vapor deposition or physical vapor deposition,
Target: Yttrium stabilized zirconia (YSZ)
Oxygen partial pressure in vacuum: 1 × 10 −2 to 10 Pa
Tool substrate temperature: 500-850 ° C.
Magnetic field strength: An adhesion layer is formed under a condition of 2000 Ga or less,
Then, using the same device as above on the adhesion layer,
Target: Cr 2 O 3 or a mixture of Cr 2 O 3 and α-Al 2 O 3 Oxygen partial pressure in vacuum: 1 × 10 −2 to 10 Pa
Tool substrate temperature: 500-850 ° C.
Magnetic field strength: An intermediate layer is formed under the condition of 2000 Ga or less,
Then, using the same device as above on the intermediate layer,
Target: α-Al 2 O 3 or a mixture of Cr 2 O 3 and α-Al 2 O 3 Oxygen partial pressure in vacuum: 1 × 10 −2 to 10 Pa
Tool substrate temperature: 500-850 ° C.
Magnetic field strength: It is known to be produced by forming an upper layer under the condition of 2000 Ga or less.
近年の切削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、切削加工は一段と厳しい条件下で行われる傾向にあるが、上記の従来被覆工具においては、これを鋼や鋳鉄などの通常の条件での切削加工に用いた場合には問題はないが、特にこれを切削条件の厳しい高速高送りミーリング加工に用いた場合は、硬質被覆層の層間付着強度が不十分である場合には欠損・剥離を生じたり、また、硬質被覆層の耐摩耗性が不十分である場合には摩耗損傷が大となったり、いずれの場合にも、比較的短時間で使用寿命に至るという問題点があった。 In recent years, the performance of cutting equipment has been remarkable, while on the other hand, there is a strong demand for labor saving and energy saving and further cost reduction for cutting, and with this, cutting tends to be performed under severer conditions. In the above-mentioned conventional coated tool, there is no problem when it is used for cutting under normal conditions such as steel and cast iron, but especially when this is used for high-speed high-feed milling with severe cutting conditions. If the interlayer adhesion strength of the hard coating layer is inadequate, defects or delamination may occur, and if the wear resistance of the hard coating layer is insufficient, wear damage will increase. Even in this case, there was a problem that the service life was reached in a relatively short time.
また、前述したPLD法を用いて上部層に中間層と同じ配向性を有する(Cr,Al)2O3層、あるいは、α−アルミナ層を形成する方法では、上部層の結晶配向度が不十分であるため更なる結晶配向度の向上による耐剥離性・耐摩耗性の向上が嘱望されていた。さらに、PLD法は、微細面積の表面処理には適しているが、大面積の工具基体や複雑な形状をした工具基体に均一な被覆を施すには、不向きであった。 In the method of forming the (Cr, Al) 2 O 3 layer or α-alumina layer having the same orientation as the intermediate layer in the upper layer using the PLD method described above, the crystal orientation degree of the upper layer is not good. Therefore, it has been desired to improve the peeling resistance and the wear resistance by further improving the degree of crystal orientation. Furthermore, although the PLD method is suitable for surface treatment of a fine area, it is not suitable for uniformly coating a large-area tool base or a tool base having a complicated shape.
そこで、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち、本発明の目的は、切削条件の厳しい高速高送りミーリング加工に用いた場合であっても、すぐれた耐チッピング性、耐剥離性を発揮し、すぐれた耐摩耗性を実現し、しかも、大面積で複雑な形状の工具基体にも対応可能な表面被覆切削工具およびその製造方法を提供することである。 Therefore, the technical problem to be solved by the present invention, that is, the object of the present invention is to exhibit excellent chipping resistance and peeling resistance even when used for high-speed high-feed milling with severe cutting conditions. It is another object of the present invention to provide a surface-coated cutting tool that realizes excellent wear resistance, and that can be applied to a tool substrate having a large area and a complicated shape, and a manufacturing method thereof.
そこで、本発明者らは、上述のような観点から、硬質被覆層を構成する各層間の付着強度を高めるとともに、硬質被覆層の耐摩耗性をも高めるべく鋭意研究を行った結果、硬質被覆層の層構造および硬質被覆層の形成方法について、以下の知見を得た。
(a)例えば、従来被覆工具の硬質被覆層の層構造において、化学蒸着で形成されたTiC層、TiN層、TiCN層あるいは物理蒸着で形成された(Ti,Al)N層等のTi化合物層の上面に、(Cr,Al)2O3層を形成し、さらにこの上にAl2O3層を形成することにより、Al2O3層の備えるすぐれた高温硬さと耐熱性を生かし、硬質被覆層の耐摩耗性を改善することも考えられるが、このような層構造の硬質被覆層は特に層間付着強度が不十分なために、層間剥離、欠損、チッピングの発生が避けられない。
In view of the above, the present inventors have conducted intensive research to increase the adhesion strength between the layers constituting the hard coating layer and to improve the wear resistance of the hard coating layer. The following knowledge was acquired about the layer structure of a layer, and the formation method of a hard coating layer.
(A) For example, in a layer structure of a hard coating layer of a conventional coated tool, a Ti compound layer such as a TiC layer formed by chemical vapor deposition, a TiN layer, a TiCN layer, or a (Ti, Al) N layer formed by physical vapor deposition By forming a (Cr, Al) 2 O 3 layer on the upper surface of the substrate, and further forming an Al 2 O 3 layer thereon, the high temperature hardness and heat resistance of the Al 2 O 3 layer are utilized to make it hard Although it is conceivable to improve the wear resistance of the coating layer, the hard coating layer having such a layer structure has an inadequate interlayer adhesion strength, and therefore, delamination, chipping and chipping cannot be avoided.
(b)しかし、PLD法により硬質被覆層の成膜を行った場合、成膜した各層の層間付着強度を向上させることができ、また、硬質被覆層を構成する各層の結晶性、結晶構造を制御することによって、硬質被覆層全体としての高温強度の改善が図れるとともに、切削条件に適った結晶構造、結晶性の層を形成することができるので、耐チッピング性の向上とともに耐摩耗性の向上を図ることもできる。
すなわち、PLD法によれば、例えば、工具基体の温度を500〜850℃に保持し、酸素分圧を1×10−2〜10Paとした真空雰囲気中で、2000Ga以下の磁場を印加した状態で、ターゲットにレーザー、望ましくはエキシマレーザー、を照射することにより、所望の特性を備えた硬質被覆層の成膜を行うことができる。
(B) However, when a hard coating layer is formed by the PLD method, the interlayer adhesion strength of each layer formed can be improved, and the crystallinity and crystal structure of each layer constituting the hard coating layer can be improved. By controlling, it is possible to improve the high-temperature strength of the hard coating layer as a whole, and it is possible to form a crystal structure and a crystalline layer suitable for cutting conditions, so that the chipping resistance and the wear resistance are improved. Can also be planned.
That is, according to the PLD method, for example, in a vacuum atmosphere in which the temperature of the tool base is maintained at 500 to 850 ° C. and the oxygen partial pressure is set to 1 × 10 −2 to 10 Pa, a magnetic field of 2000 Ga or less is applied. By irradiating the target with a laser, preferably an excimer laser, a hard coating layer having desired characteristics can be formed.
(c)本発明の被覆工具の場合、まず、工具基体表面に、反応器内でTi化合物からなる下部層を化学蒸着法(以下、CVD法)および/または物理蒸着(以下、PVD法)で形成する。
次に、イットリウム安定化ジルコニア(以下、YSZで示す)焼結体をターゲットとし、前記(b)の温度条件、雰囲気条件、磁場条件の範囲内の条件で、前記YSZターゲットにレーザーを照射し、CVD法および/またはPVD法で形成された下部層の上に、(001)面配向性を有するYSZ層からなる密着層を形成する。
ついで、同じく前記(b)の温度条件、雰囲気条件、磁場条件の範囲内の条件で、クロム酸化物(以下、Cr2O3で示す)からなるターゲット、あるいは、Cr2O3およびα−アルミナ(以下、α−Al2O3で示す)の混合体からなるターゲットにレーザーを照射し、結晶構造がコランダム構造からなり(0001)面配向性を有するCr2O3層あるいは(Cr,Al)2O3層からなる中間層を形成する。
なお、使用するレーザーは、波長が短くターゲットの一部分を必要なだけ正確にスパッタすることができるという点で、エキシマレーザーであることが望ましい。
(d)その後、有機金属気相成長法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:以下、MOCVD法と示す)を用いて前記工具基体の温度を850〜1050℃に保持するとともに、反応器内にアルゴン(Ar)および/または水素(H2)をキャリアガスとしてトリメチルアルミニウム(Al(CH3)3)および酸素(O2)および/または二酸化炭素(CO2)を供給することにより、結晶構造がコランダム構造からなり(0001)面配向性を有するα−Al2O3層からなる上部層を形成する。
前述のように、通常のCVD法、PVD法により基体上に下部層を形成した後、PLD法により、所定の面配向性を有する密着層、中間層を形成した後、MOCVD法により上部層を形成することにより、上部層の配向度が向上した硬質被覆層を形成することができる。
(C) In the case of the coated tool of the present invention, first, a lower layer made of a Ti compound is formed on the surface of the tool base in a reactor by chemical vapor deposition (hereinafter referred to as CVD) and / or physical vapor deposition (hereinafter referred to as PVD). Form.
Next, the target is a sintered body of yttrium-stabilized zirconia (hereinafter referred to as YSZ), and the YSZ target is irradiated with a laser under the conditions of the temperature condition, atmospheric condition, and magnetic field condition of (b), An adhesion layer made of a YSZ layer having (001) plane orientation is formed on the lower layer formed by the CVD method and / or the PVD method.
Next, a target made of chromium oxide (hereinafter referred to as Cr 2 O 3 ), or Cr 2 O 3 and α-alumina, under the same conditions of temperature, atmosphere, and magnetic field as in (b) above. A target made of a mixture (hereinafter referred to as α-Al 2 O 3 ) is irradiated with laser, and a Cr 2 O 3 layer having a (0001) plane orientation with a crystal structure of a corundum structure or (Cr, Al) An intermediate layer composed of 2 O 3 layers is formed.
The laser to be used is preferably an excimer laser in that the wavelength is short and a part of the target can be sputtered as accurately as necessary.
(D) Thereafter, the temperature of the tool substrate is maintained at 850 to 1050 ° C. using metal organic chemical vapor deposition (hereinafter referred to as MOCVD method), and argon (Ar ) And / or hydrogen (H 2 ) as a carrier gas to supply trimethylaluminum (Al (CH 3 ) 3 ) and oxygen (O 2 ) and / or carbon dioxide (CO 2 ), so that the crystal structure is changed from the corundum structure. An upper layer made of an α-Al 2 O 3 layer having a (0001) plane orientation is formed.
As described above, after forming the lower layer on the substrate by the normal CVD method and PVD method, after forming the adhesion layer and intermediate layer having a predetermined plane orientation by the PLD method, the upper layer is formed by the MOCVD method. By forming, a hard coating layer with an improved degree of orientation of the upper layer can be formed.
(e)前記(c)のPLD法による成膜において、下部層と上部層の間に、(001)面配向性を有するYSZからなる密着層、(0001)面配向性を有するCr2O3層あるいは(Cr,Al)2O3層からなる中間層を介在形成することにより、各層間の付着強度が向上し、また、上部層の面配向度も高まるため、硬質被覆層全体としての高温強度、耐摩耗性が大幅に改善される。 (E) In the film formation by the PLD method of (c), an adhesion layer made of YSZ having (001) plane orientation and Cr 2 O 3 having (0001) plane orientation between the lower layer and the upper layer. Layer or an intermediate layer composed of (Cr, Al) 2 O 3 layer improves adhesion strength between the layers and also increases the degree of plane orientation of the upper layer. Strength and wear resistance are greatly improved.
(f)また、前記(c)のPLD法によるCr2O3層あるいは(Cr,Al)2O3層からなる中間層の成膜にあたり、α−Al2O3およびCr2O3の混合体ターゲットのα−Al2O3とCr2O3の混合比率、レーザー照射条件(照射量、照射時間)、印加磁場条件等の成膜条件を調整することにより、中間層に含有されるAlとCrの含有割合および中間層の配向度を変化させることができ、その結果として、上部層としてMOCVD法によって形成されるα−Al2O3層の配向度を制御することができ、中間層および上部層に、所定のすぐれた耐チッピング性および耐摩耗性を付与することができる。
例えば、中間層におけるCr含有割合(Cr/(Al+Cr))が0.2〜1となるように成膜条件を調整すると、上部層としては、(0001)面配向性を有するα−Al2O3層が優先的に形成されるようになる。
なお、中間層におけるCr含有割合(Cr/(Al+Cr))=1とは、中間層がCr2O3層で構成されていることであるから、この場合は、Cr2O3ターゲットへのレーザー照射を行うということである。
また、中間層は、一つの層にて形成する必要はなく、例えば、Cr2O3層と(Cr,Al)2O3層の複層構造として形成されていても、本発明の目的を何ら損なうものではない。
(F) In addition, in forming the intermediate layer composed of the Cr 2 O 3 layer or the (Cr, Al) 2 O 3 layer by the PLD method of (c), a mixture of α-Al 2 O 3 and Cr 2 O 3 Al contained in the intermediate layer by adjusting film formation conditions such as the mixing ratio of α-Al 2 O 3 and Cr 2 O 3 of the body target, laser irradiation conditions (irradiation amount, irradiation time), applied magnetic field conditions, etc. Content ratio of Cr and Cr and the degree of orientation of the intermediate layer can be changed. As a result, the degree of orientation of the α-Al 2 O 3 layer formed by the MOCVD method as the upper layer can be controlled. The upper layer can be provided with a predetermined excellent chipping resistance and wear resistance.
For example, when the film forming conditions are adjusted so that the Cr content ratio (Cr / (Al + Cr)) in the intermediate layer is 0.2 to 1, the upper layer has α-Al 2 O having (0001) plane orientation. Three layers are preferentially formed.
In addition, since the Cr content ratio (Cr / (Al + Cr)) = 1 in the intermediate layer means that the intermediate layer is composed of a Cr 2 O 3 layer, in this case, the laser to the Cr 2 O 3 target It means that irradiation is performed.
The intermediate layer does not need to be formed as a single layer. For example, even if the intermediate layer is formed as a multilayer structure of a Cr 2 O 3 layer and a (Cr, Al) 2 O 3 layer, the object of the present invention is achieved. There is no loss.
(g)前記(c)、(e)においては、密着層として、(001)配向性を有するYSZ層を形成したが、YSZ層自体、(001)配向性を有さなくて所定の高温強度を備えていること、また、YSZ層が(001)配向性を有さないでも、中間層、上部層である程度の(0001)面配向性が得られることから、被覆工具として、特にすぐれた高温強度、耐摩耗性を必要としないような場合、例えば、過酷な条件下での切削加工を行わないような場合、には、前記YSZ層が(001)配向性を有さなくて、硬質被覆層全体としては、ある程度の層間密着強度、耐摩耗性を備えているので、(001)面配向性を有するYSZ層に替えて、(001)面配向性を有さないYSZ層を密着層として設けることも可能である。 (G) In the above (c) and (e), a YSZ layer having (001) orientation was formed as an adhesion layer, but the YSZ layer itself does not have (001) orientation and has a predetermined high-temperature strength. In addition, even if the YSZ layer does not have (001) orientation, a certain degree of (0001) plane orientation can be obtained in the intermediate layer and the upper layer. When strength and wear resistance are not required, for example, when cutting under severe conditions is not performed, the YSZ layer does not have (001) orientation and is hard-coated. Since the entire layer has a certain degree of interlayer adhesion strength and wear resistance, instead of the YSZ layer having (001) plane orientation, a YSZ layer having no (001) plane orientation is used as the adhesion layer. It is also possible to provide it.
この発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「(1) 炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成された工具基体の表面に硬質被覆層を設けた表面被覆切削工具において、
前記硬質被覆層が、
(a)下部層として、0.3〜5μmの合計層厚を有するチタンの炭化物層、チタンの窒化物層、チタンの炭窒化物層およびチタンとアルミニウムの複合窒化物層のうちの1層または2層以上からなるチタン化合物層、
(b)密着層として、0.02〜0.2μmの層厚を有するイットリウム安定化ジルコニア層、
(c)中間層として、0.02〜0.5μmの合計層厚を有し、さらに、結晶構造がコランダム構造からなり(0001)面配向性を有し、かつ、アルミニウムとの合量に占めるクロムの含有割合(Cr/(Cr+Al))が0.2〜1(但し、原子比)であるクロムとアルミニウムの酸化物固溶体層、あるいは、クロムの酸化物層、
(d)上部層として、0.3〜3.0μmの層厚を有し、さらに、結晶構造がコランダム構造からなり、TC(006)の値が5.4以上である(0001)面配向性を有し、かつ、MOCVD法で形成されたα−アルミナ層、
前記(a)〜(d)の下部層、密着層、中間層および上部層からなることを特徴とする表面被覆切削工具。
(2) 前記密着層が、(001)面配向性を有するイットリウム安定化ジルコニア層であ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) 炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成された工具基体の表面に下部層、密着層、中間層および上部層からなる硬質被覆層を形成した表面被覆切削工具の製造方法において、前記硬質被覆層が、
(a)反応器内で化学蒸着又は物理蒸着により、チタンの炭化物層、チタンの窒化物層、チタンの炭窒化物層およびチタンとアルミニウムの複合窒化物層のうちの1層または2層以上からなるチタン化合物層を、0.3〜5μmの合計層厚になるまで蒸着して下部層を形成する工程と、
(b)次に、工具基体の温度を500〜850℃に保持し、雰囲気中の酸素分圧を1×10−2〜10Paとした真空雰囲気中で、イットリウム安定化ジルコニアからなるターゲットにレーザーを照射して、前記下部層表面に、0.02〜0.2μmの層厚のイットリウム安定化ジルコニア層からなる密着層を形成する工程と、
(c)次いで、クロム酸化物またはクロム酸化物とα−アルミナの混合体からなるターゲットに、前記(b)と同様な条件でレーザーを照射し、前記密着層表面に、0.02〜0.5μmの層厚の結晶構造がコランダム構造からなり(0001)面配向性を有し、かつ、アルミニウムとの合量に占めるクロムの含有割合(Cr/(Cr+Al))が0.2〜1(但し、原子比)であるクロムとアルミニウムの酸化物固溶体層、あるいは、クロムの酸化物層からなる中間層を形成する工程と、
(d)その後、前記工具基体の温度を850〜1050℃に保持するとともに、反応器内の圧力を50〜10,000Paに保持し、アルゴン(Ar)および/または水素(H2)をキャリアガスとしてトリメチルアルミニウム(Al(CH3)3)および酸素(O2)および/または二酸化炭素(CO2)を供給することにより、前記中間層表面に、0.3〜3.0μmの層厚を有し、かつ、結晶構造がコランダム構造を有し、TC(006)の値が5.4以上である(0001)面配向性を有するα−アルミナ層からなる上部層をMOCVD法により形成する工程とから形成されることを特徴とする表面被覆切削工具の製造方法。
(4) 前記(d)の工程における工具基体の加熱が、コールドウォール方式による加熱であることを特徴とする前記(3)に記載の表面被覆切削工具の製造方法。」
に特徴を有するものである。
This invention has been made based on the above findings,
“(1) In a surface-coated cutting tool in which a hard coating layer is provided on the surface of a tool base composed of tungsten carbide-based cemented carbide or titanium carbonitride-based cermet,
The hard coating layer is
(A) As a lower layer, one of a titanium carbide layer, a titanium nitride layer, a titanium carbonitride layer, and a composite nitride layer of titanium and aluminum having a total layer thickness of 0.3 to 5 μm or A titanium compound layer composed of two or more layers,
(B) as an adhesion layer, an yttrium-stabilized zirconia layer having a layer thickness of 0.02 to 0.2 μm,
(C) The intermediate layer has a total layer thickness of 0.02 to 0.5 μm, and the crystal structure is a corundum structure, has (0001) plane orientation, and occupies the total amount with aluminum. An oxide solid solution layer of chromium and aluminum having a chromium content (Cr / (Cr + Al)) of 0.2 to 1 (however, atomic ratio), or an oxide layer of chromium,
(D) The upper layer has a layer thickness of 0.3 to 3.0 μm, further has a crystal structure of a corundum structure, and has a TC (006) value of 5.4 or more (0001) plane orientation And an α-alumina layer formed by the MOCVD method,
A surface-coated cutting tool comprising the lower layer, the adhesion layer, the intermediate layer, and the upper layer of (a) to (d).
(2) The surface-coated cutting tool according to (1), wherein the adhesion layer is an yttrium-stabilized zirconia layer having (001) plane orientation.
(3) Method for producing a surface-coated cutting tool in which a hard coating layer comprising a lower layer, an adhesion layer, an intermediate layer, and an upper layer is formed on the surface of a tool base composed of a tungsten carbide-based cemented carbide or a titanium carbonitride-based cermet In the hard coating layer,
(A) From one or more of a titanium carbide layer, a titanium nitride layer, a titanium carbonitride layer, and a titanium and aluminum composite nitride layer by chemical vapor deposition or physical vapor deposition in a reactor. Forming a lower layer by depositing a titanium compound layer to be a total layer thickness of 0.3 to 5 μm;
(B) Next, a laser is applied to a target made of yttrium-stabilized zirconia in a vacuum atmosphere in which the temperature of the tool base is maintained at 500 to 850 ° C. and the oxygen partial pressure in the atmosphere is 1 × 10 −2 to 10 Pa. Irradiating to form an adhesion layer made of an yttrium-stabilized zirconia layer having a thickness of 0.02 to 0.2 μm on the surface of the lower layer;
(C) Next, a target composed of chromium oxide or a mixture of chromium oxide and α-alumina is irradiated with a laser under the same conditions as in (b) above, and 0.02 to 0.0. The crystal structure with a layer thickness of 5 μm consists of a corundum structure, has (0001) plane orientation, and the chromium content (Cr / (Cr + Al)) in the total amount with aluminum is 0.2 to 1 (however, A step of forming an intermediate layer composed of an oxide solid solution layer of chromium and aluminum having an atomic ratio) or an oxide layer of chromium;
(D) then, while maintaining the temperature of the tool substrate to from 850 to 1050 ° C., to maintain the pressure in the reactor to 50~10,000Pa, argon (Ar) and / or hydrogen (H 2) carrier gas By supplying trimethylaluminum (Al (CH 3 ) 3 ) and oxygen (O 2 ) and / or carbon dioxide (CO 2 ) as the intermediate layer surface having a layer thickness of 0.3 to 3.0 μm. and, and, the step of crystal structure have a corundum structure is formed by MOCVD an upper layer made of the value of TC (006) is 5.4 or more (0001) plane orientation to have a α- alumina layer A method for producing a surface-coated cutting tool, wherein
(4) The method for manufacturing a surface-coated cutting tool according to (3), wherein the heating of the tool base in the step (d) is a heating by a cold wall method. "
It has the characteristics.
以下に、この発明の被覆工具の硬質被覆層および被覆工具の製造方法について、詳細に説明する。 Below, the hard coating layer of the coated tool of this invention and the manufacturing method of a coated tool are demonstrated in detail.
(1)下部層(Ti化合物層)
通常のCVD法、PVD法等により形成されるTi化合物層からなる下部層は、自身の具備するすぐれた高温強度によって硬質被覆層に高温強度を保持せしめるほか、工具基体とYSZ層のいずれにも強固に密着し、よって硬質被覆層の工具基体に対する密着性向上に寄与する作用を有するが、その合計平均層厚が0.3μm未満では、前記作用を十分に発揮させることができず、一方その合計層厚が5μmを越えると、特に高熱発生を伴う高速ミーリングのような高速切削加工では熱疲労を起し易くなり、これが熱亀裂の原因となることから、その合計層厚を0.3〜5μmと定めた。
(1) Lower layer (Ti compound layer)
The lower layer made of the Ti compound layer formed by the ordinary CVD method, PVD method, etc. allows the hard coating layer to maintain the high temperature strength by its excellent high temperature strength, as well as both the tool base and the YSZ layer. It has an effect of firmly adhering, and thus contributing to an improvement in the adhesion of the hard coating layer to the tool substrate. However, when the total average layer thickness is less than 0.3 μm, the above-mentioned effect cannot be exhibited sufficiently, When the total layer thickness exceeds 5 μm, thermal fatigue is likely to occur particularly in high-speed cutting such as high-speed milling with high heat generation, and this causes thermal cracks. It was set to 5 μm.
(2)密着層(YSZ層)
密着層を構成する(001)面配向性を有するイットリウム安定化ジルコニア(YSZ)層は、PLD法により、例えば、下部層を設けた工具基体の温度を500〜850℃に保持し、雰囲気中の酸素分圧を1×10−2〜10Paとした真空雰囲気中で、2000Ga以下の磁場を印加した状態で、ターゲットにレーザーを照射することにより形成できるが、下部層および中間層のいずれとも強固な密着性を有し硬質被覆層の高温強度を改善するため、高速切削加工において、硬質被覆層にチッピングが発生することを防止する。
また、YSZ層が(001)面配向性を有することによって、この上に蒸着形成される中間層の(0001)面配向度が高められ、また、その結果として、上部層の(0001)面配向度も高められることから、高速ミーリングのような厳しい条件下での高速切削加工において、硬質被覆層の耐摩耗性が一段と向上する。
ただ、YSZ層の層厚が0.02μm未満では、層間接合強度の向上の効果は少なく、また、層厚が0.2μmを超えるとYSZ結晶が粒成長しやすくなり、その結果、YSZ層の強度が低下するため、密着層としてのYSZ層の層厚は0.02〜0.2μmと定めた。
なお、既に述べたように、YSZ層が(001)面配向性を持たない場合でも、硬質被覆層は所定の耐チッピング性、耐摩耗性を備えているので、高速ミーリング加工ほどに耐チッピング性、耐摩耗性が要求されない穏やかな切削条件であれば、(001)面配向性を持たないYSZ層を密着層として設けることも可能である。
(2) Adhesion layer (YSZ layer)
The yttrium-stabilized zirconia (YSZ) layer having (001) plane orientation constituting the adhesion layer is maintained at a temperature of 500 to 850 ° C. in the atmosphere of the tool base provided with the lower layer by the PLD method. It can be formed by irradiating the target with a laser in a vacuum atmosphere with an oxygen partial pressure of 1 × 10 −2 to 10 Pa and applying a magnetic field of 2000 Ga or less, but both the lower layer and the intermediate layer are strong. In order to improve the high temperature strength of the hard coating layer with adhesion, chipping is prevented from occurring in the hard coating layer in high-speed cutting.
In addition, since the YSZ layer has (001) plane orientation, the (0001) plane orientation degree of the intermediate layer formed thereon is increased, and as a result, the (0001) plane orientation of the upper layer is increased. Therefore, the wear resistance of the hard coating layer is further improved in high-speed cutting under severe conditions such as high-speed milling.
However, if the layer thickness of the YSZ layer is less than 0.02 μm, the effect of improving the interlayer bonding strength is small, and if the layer thickness exceeds 0.2 μm, the YSZ crystal tends to grow, and as a result, the YSZ layer Since the strength decreases, the thickness of the YSZ layer as the adhesion layer is determined to be 0.02 to 0.2 μm.
As already described, even when the YSZ layer does not have (001) plane orientation, the hard coating layer has predetermined chipping resistance and wear resistance, so that it is as chipping resistant as high-speed milling. It is also possible to provide a YSZ layer having no (001) plane orientation as an adhesion layer under mild cutting conditions that do not require wear resistance.
(3)中間層
PLD法により、YSZ層の上に中間層を形成すると、成膜に用いるターゲットの種類に応じた中間層が形成されるが、アルミニウムとの合量に占めるクロムの含有割合(Cr/(Cr+Al))が0.2〜1(但し、原子比)である(Cr,Al)2O3層を中間層として形成した場合、あるいは、Cr2O3層を中間層として形成した場合、いずれの場合にも、(0001)面配向性を有する中間層が形成され、そして、中間層が(0001)面配向性を有することにより、この上に形成される上部層の(0001)面配向度がより高まり、すぐれた耐摩耗性を備えるようになる。
中間層を形成するターゲットとしては、Cr2O3あるいはCr2O3とα−Al2O3との混合体を使用することができるが、例えば、Cr2O3とα−Al2O3との混合体ターゲットを用い、蒸着層を設けた工具基体の温度を500〜850℃に保持し、雰囲気中の酸素分圧を1×10−2〜10Paの真空雰囲気という条件の下で、ターゲットにレーザー照射を行い、2000Ga以下の磁場を印加した状態で成膜することによって、(0001)面配向性を有し、しかも、アルミニウムとの合量に占めるクロムの含有割合(Cr/(Cr+Al))が0.2以上(但し、原子比)である(Cr,Al)2O3層を中間層として形成することができる。
そして、この(Cr,Al)2O3層を中間層として設けた場合には、MOCVD法により上部層としてα−Al2O3層を形成した場合、(0001)面に高い配向度で配向したα−Al2O3層が形成され、そして、この上部層は、高速高送りミーリングという厳しい切削条件下でも、すぐれた耐摩耗性を発揮する。
なお、中間層形成用ターゲットにおいて、クロムの含有割合(Cr/(Cr+Al))が1とは、即ち、Cr2O3ターゲットを使用することであるが、このターゲットを用いて、(0001)面配向性を有するCr2O3中間層を形成し、さらに、この上に上部層を形成した場合にも、Cr2O3中間層の上には、(0001)面に配向したα−Al2O3層からなる耐摩耗性にすぐれた上部層が形成される。
中間層の層厚は、0.02μm未満であると各層の層間強度の向上、硬質被覆層全体としての高温強度の向上が図れないばかりか、この上に形成される上部層の配向度を高めることができず、一方、層厚が0.5μmを超えると、中間層の結晶粒が粒成長しやすくなり、その結果、上部層のα−Al2O3層も粒成長を起こし、硬質被覆層にチッピングが発生しやすくなるため、中間層の層厚は0.02〜0.5μmと定めた。
(3) Intermediate layer When an intermediate layer is formed on the YSZ layer by the PLD method, an intermediate layer corresponding to the type of target used for film formation is formed, but the chromium content in the total amount with aluminum ( When (Cr, Al) 2 O 3 layer having Cr / (Cr + Al)) of 0.2 to 1 (however, atomic ratio) was formed as an intermediate layer, or Cr 2 O 3 layer was formed as an intermediate layer In each case, an intermediate layer having (0001) plane orientation is formed, and the intermediate layer has (0001) plane orientation so that (0001) of the upper layer formed thereon is formed. The degree of surface orientation is further increased, and excellent wear resistance is provided.
As the target for forming the intermediate layer, it is possible to use a mixture of Cr 2 O 3 or Cr 2 O 3 and α-Al 2 O 3, for example, Cr 2 O 3 and α-Al 2 O 3 The target of the tool base provided with the vapor deposition layer is maintained at 500 to 850 ° C., and the oxygen partial pressure in the atmosphere is 1 × 10 −2 to 10 Pa in a vacuum atmosphere. Is irradiated with a laser, and a film is formed in a state where a magnetic field of 2000 Ga or less is applied, so that it has (0001) plane orientation and the content ratio of chromium in the total amount with aluminum (Cr / (Cr + Al) ) Is 0.2 or more (however, the atomic ratio), and a (Cr, Al) 2 O 3 layer can be formed as an intermediate layer.
When this (Cr, Al) 2 O 3 layer is provided as an intermediate layer, when the α-Al 2 O 3 layer is formed as the upper layer by MOCVD, the (0001) plane is oriented with a high degree of orientation. The α-Al 2 O 3 layer is formed, and the upper layer exhibits excellent wear resistance even under severe cutting conditions such as high-speed high-feed milling.
In the intermediate layer forming target, the chromium content ratio (Cr / (Cr + Al)) is 1, that is, a Cr 2 O 3 target is used. Even when an oriented Cr 2 O 3 intermediate layer is formed and an upper layer is further formed thereon, the α-Al 2 oriented in the (0001) plane is also formed on the Cr 2 O 3 intermediate layer. An upper layer composed of an O 3 layer and excellent in wear resistance is formed.
If the thickness of the intermediate layer is less than 0.02 μm, the interlayer strength of each layer cannot be improved and the high-temperature strength of the hard coating layer as a whole cannot be improved, and the degree of orientation of the upper layer formed thereon can be increased. On the other hand, if the layer thickness exceeds 0.5 μm, the crystal grains in the intermediate layer easily grow, and as a result, the α-Al 2 O 3 layer in the upper layer also grows and is hard-coated. In order to easily cause chipping in the layer, the thickness of the intermediate layer was determined to be 0.02 to 0.5 μm.
(4)上部層
中間層を設けた工具基体の温度を850〜1050℃に保持し、反応器内の圧力を50〜10,000Paを保持し、アルゴン(Ar)および/または水素(H2)をキャリアガスとしてトリメチルアルミニウム(Al(CH3)3)および酸素(O2)および/または二酸化炭素(CO2)をそれぞれ容量%で0.1〜5.0および1.0〜60という条件の下で、反応器内に導入するとともに、工具基体の加熱はコールドウォール方式により例えば工具基体を保持する金属ステージを0〜230V、13.5kHz、0〜20Aという条件の高周波電界により誘導加熱により保持されることによって、TC(006)の値が5.4以上である(0001)面に配向したα−Al2O3層が形成される。
前記α−Al2O3層の形成は、MOCVD法による形成に他ならないが、(0001)面配向性を有する中間層の上に、コールドウォール方式により基盤近傍でのみ反応ガスが加熱され高周波電界が印加された状態で成膜されることによって、上部層として、TC(006)の値が5.4以上である(0001)面配向度の高いα−Al2O3層が形成され、そして、このα−Al2O3層からなる上部層は、すぐれた高温硬さを有する。
また、MOCVD法で形成された(0001)面配向性を有するα−Al2O3層からなる上部層は、中間層との密着性・付着強度にも優れているため、硬質被覆層全体としてのすぐれた高温強度を有する。
したがって、上部層として、MOCVD法で形成された(0001)面配向性を有するα−Al2O3層を蒸着形成した本発明の被覆工具は、高熱発生を伴い、かつ、高速高送りミーリングという厳しい切削条件で用いられた場合であっても、すぐれた耐チッピング性とともにすぐれた耐摩耗性を示し、工具特性が格段に改善されたものとなる。
ただ、上部層の層厚が0.3μm未満では、すぐれた工具特性を十分発揮することはできず、一方、層厚が3.0μmを超えると、切刃部に欠損・チッピングを発生しやすくなるので、上部層の層厚は0.3〜3.0μmと定めた。
(4) Upper layer The temperature of the tool base provided with the intermediate layer is maintained at 850 to 1050 ° C., the pressure in the reactor is maintained at 50 to 10,000 Pa, and argon (Ar) and / or hydrogen (H 2 ). And 0.1 to 5.0 and 1.0 to 60 in terms of volume% of trimethylaluminum (Al (CH 3 ) 3 ) and oxygen (O 2 ) and / or carbon dioxide (CO 2 ), respectively. The tool base is introduced into the reactor, and the tool base is heated by a cold wall method, for example, by holding the metal stage holding the tool base by induction heating with a high frequency electric field of 0 to 230 V, 13.5 kHz, 0 to 20 A. As a result, an α-Al 2 O 3 layer oriented in the (0001) plane having a TC (006) value of 5.4 or more is formed.
The formation of the α-Al 2 O 3 layer is none other than the formation by the MOCVD method, but the reactive gas is heated only in the vicinity of the substrate by the cold wall method on the intermediate layer having (0001) plane orientation. As a top layer, an α-Al 2 O 3 layer having a high degree of (0001) orientation with a value of TC (006) of 5.4 or more is formed as an upper layer, and The upper layer composed of the α-Al 2 O 3 layer has excellent high temperature hardness.
In addition, the upper layer formed of the α-Al 2 O 3 layer having (0001) plane orientation formed by MOCVD is excellent in adhesion and adhesion strength with the intermediate layer. It has excellent high temperature strength.
Therefore, the coated tool of the present invention in which an α-Al 2 O 3 layer having (0001) plane orientation formed by MOCVD is deposited as an upper layer is accompanied by high heat generation and is called high-speed high-feed milling Even when used under severe cutting conditions, it exhibits excellent wear resistance as well as excellent chipping resistance, and tool characteristics are remarkably improved.
However, if the thickness of the upper layer is less than 0.3 μm, excellent tool characteristics cannot be fully exerted. On the other hand, if the layer thickness exceeds 3.0 μm, chipping and chipping are likely to occur at the cutting edge. Therefore, the layer thickness of the upper layer was determined to be 0.3 to 3.0 μm.
(5)PLD法およびMOCVD法による成膜条件
本発明では、従来から知られているCVD法、PVD法により、まず、工具基体表面に、TiC層、TiN層、TiCN層および(Ti,Al)N層のうちの1層または2層以上からなるチタン化合物層を、0.3〜5μmの合計層厚になるまで蒸着して下部層を形成した後、PLD法により、密着層、中間層を成膜形成する。
PLD法は、永久磁石を用い磁場を発生させていた従来のPLD法に比べて、基板温度を高めることが可能であり、磁場の強弱を自由にコントロールでき、さらに、ターゲットあるいは基板に印加する磁場を調整して、成膜の結晶構造、特性を自由に制御できるという利点を有するが、本発明は、PLD法によるこれらの利点を生かしつつ、同時に、工具基体(基板)に成膜する、密着層、中間層の種類、成膜条件を特定するとともに、MOCVD法による上部層の形成と組み合わせたことにより、被覆工具の硬質被覆層に要求される耐チッピング性および耐摩耗性という特有の課題の解決を図ったものである。
すなわち、PLD法による密着層および中間層の成膜にあたり、ターゲットにレーザーを照射して密着層、中間層を形成する際に、成膜速度および結晶配向性を高めるためには、工具基体の温度を500〜850℃に保持する必要があり、また、各層、酸化物の酸素量を適正範囲に制御するためには、雰囲気条件を、O2分圧が1×10−2〜10Paの真空雰囲気とする必要があり、さらに、各層の結晶配向性や結晶構造、結晶粒の成長を制御するためには、印加磁場を2000G以下の範囲で調節することが必要である。
さらに、MOCVD法による上部層の成膜に当たり、成膜速度および結晶配向性を高めるためには、工具基体の温度を850〜1050℃に保持するとともに、反応器内の圧力を50〜10,000Paに保持し、アルゴン(Ar)および/または水素(H2)をキャリアガスとしてトリメチルアルミニウム(Al(CH3)3)および酸素(O2)および/または二酸化炭素(CO2)を容量%で0.1〜5.0および1.0〜60という条件の下で、反応器内に供給する。
そして、通常のCVD法、PVD法により工具基体に下部層を形成した後、前記温度条件、雰囲気条件および磁場条件の下で、PLD法により密着層としての(001)面配向性を有するYSZ層を成膜し、ついで、Cr2O3あるいはCr2O3とα−Al2O3の混合体からなるターゲットにレーザーを照射して、結晶構造がコランダム構造からなり(0001)面配向性を有する(Cr,Al)2O3層あるいはCr2O3層からなる中間層を形成し、その後、MOCVD法により、結晶構造がコランダム構造からなり(0001)面配向性を有するα−Al2O3層からなる上部層を形成するが、このように成膜した各層は強固な付着強度を有しており、また、ターゲットの種類、レーザーの照射条件、磁場の印加条件、MOCVD法による上部層形成時のガス組成等を調整することによって、各層の膜組成、結晶構造、結晶配向性を制御することができ、その結果として、すぐれた耐チッピング性とすぐれた耐摩耗性を備えた硬質被覆層を形成することができる。
したがって、前述のような方法で製造した被覆工具は、高い発熱を伴う高速ミーリングという厳しい条件下での切削加工においても、長期に亘ってすぐれた耐チッピング性とすぐれた耐摩耗性を発揮する。
(5) Film forming conditions by PLD method and MOCVD method In the present invention, a TiC layer, a TiN layer, a TiCN layer, and (Ti, Al) are first formed on the surface of the tool base by the conventionally known CVD method and PVD method. After depositing a titanium compound layer consisting of one or more of the N layers to a total layer thickness of 0.3 to 5 μm to form a lower layer, an adhesion layer and an intermediate layer are formed by a PLD method. Form a film.
Compared with the conventional PLD method in which a magnetic field is generated using a permanent magnet, the PLD method can increase the substrate temperature, can freely control the strength of the magnetic field, and can further apply a magnetic field applied to the target or the substrate. The crystal structure and characteristics of film formation can be freely controlled by adjusting the thickness of the film, but the present invention takes advantage of these advantages of the PLD method and at the same time forms a film on a tool substrate (substrate). By specifying the type of layer, intermediate layer, and film formation conditions, and combining with the formation of the upper layer by MOCVD, the unique problems of chipping resistance and wear resistance required for hard coating layers of coated tools It is a solution.
That is, when forming the adhesion layer and the intermediate layer by irradiating the target with a laser in forming the adhesion layer and the intermediate layer by the PLD method, the temperature of the tool base is increased in order to increase the film formation rate and the crystal orientation. Must be maintained at 500 to 850 ° C., and in order to control the oxygen amount of each layer and oxide within an appropriate range, the atmospheric conditions are set to a vacuum atmosphere with an O 2 partial pressure of 1 × 10 −2 to 10 Pa. Furthermore, in order to control the crystal orientation, crystal structure, and crystal grain growth of each layer, it is necessary to adjust the applied magnetic field within a range of 2000 G or less.
Further, in order to increase the deposition rate and crystal orientation in forming the upper layer by the MOCVD method, the temperature of the tool base is maintained at 850 to 1050 ° C., and the pressure in the reactor is set to 50 to 10,000 Pa. And trimethylaluminum (Al (CH 3 ) 3 ), oxygen (O 2 ) and / or carbon dioxide (CO 2 ) in a volume percentage of 0 using argon (Ar) and / or hydrogen (H 2 ) as a carrier gas. Feed into the reactor under conditions of 1-5.0 and 1.0-60.
Then, after forming a lower layer on the tool base by a normal CVD method or PVD method, a YSZ layer having (001) plane orientation as an adhesion layer by the PLD method under the temperature condition, atmospheric condition and magnetic field condition Then, a target made of Cr 2 O 3 or a mixture of Cr 2 O 3 and α-Al 2 O 3 is irradiated with a laser, and the crystal structure has a corundum structure and (0001) plane orientation is improved. An intermediate layer made of (Cr, Al) 2 O 3 layer or Cr 2 O 3 layer is formed, and then α-Al 2 O having a (0001) plane orientation with a crystal structure of a corundum structure by MOCVD. An upper layer composed of three layers is formed. Each layer thus formed has a strong adhesion strength, and also includes a target type, a laser irradiation condition, a magnetic field application condition, By adjusting the gas composition at the time of forming the upper layer by MOCVD method, the film composition, crystal structure and crystal orientation of each layer can be controlled. As a result, excellent chipping resistance and excellent wear resistance Can be formed.
Therefore, the coated tool manufactured by the method as described above exhibits excellent chipping resistance and excellent wear resistance over a long period of time even in cutting under severe conditions such as high-speed milling with high heat generation.
この発明の被覆工具は、硬質被覆層を構成する層としてTi化合物層からなる下部層、(001)面配向性を有するYSZ層からなる密着層、結晶構造がコランダム構造からなり(0001)面配向性を有する(Cr,Al)2O3層、Cr2O3層からなる中間層および結晶構造がコランダム構造からなり(0001)面配向性を有するα−Al2O3層からなる上部層が形成され、このような層構造によって各層間の付着強度が高められ、硬質被覆層が全体としてすぐれた高温強度を具備し、また、特に、上部層が、MOCVD法によって、TC(006)の値が5.4以上である(0001)面配向性が高められたα−Al2O3層で構成されることによって、上部層がすぐれた耐摩耗性を具備することから、この発明の被覆工具は、例えば、鋼や鋳鉄等の高速高送りミーリング加工において、すぐれた耐チッピング性とすぐれた耐摩耗性を発揮し、長期に亘ってすぐれた工具特性を示すとともに、工具寿命の延命化が図られる。
また、この発明による被覆工具の製造方法は、予め、CVD法、PVD法により所定の下部層が形成された工具基体に対して、PLD法を利用し、しかも、ターゲットの種類、組成、成膜条件等を選定し、所望の密着層、中間層を形成することができ、またこのようにして形成された(0001)面配向性を有する中間層の上に、MOCVD法により所望の結晶構造、結晶配向性を備えた上部層を形成することができるので、耐チッピング性および耐摩耗性にすぐれた被覆工具を、簡易かつ確実に製造することができる。
The coated tool of the present invention has a lower layer composed of a Ti compound layer as a layer constituting a hard coating layer, an adhesion layer composed of a YSZ layer having (001) plane orientation, and a (0001) plane oriented crystal structure composed of a corundum structure. (Cr, Al) 2 O 3 layer having a property, an intermediate layer comprising a Cr 2 O 3 layer, and an upper layer comprising an α-Al 2 O 3 layer having a (0001) plane orientation and a crystal structure comprising a corundum structure Formed, the adhesion strength between the layers is increased by such a layer structure, the hard coating layer has an excellent high-temperature strength as a whole, and in particular, the upper layer has a value of TC (006) by MOCVD. Since the upper layer has excellent wear resistance by being composed of the α-Al 2 O 3 layer with an enhanced (0001) plane orientation of 5.4 or more, the coating layer of the present invention The tool exhibits excellent chipping resistance and excellent wear resistance in high-speed and high-feed milling processing such as steel and cast iron, and exhibits excellent tool characteristics over a long period of time, while extending tool life. Figured.
The method for manufacturing a coated tool according to the present invention uses a PLD method for a tool substrate on which a predetermined lower layer is previously formed by a CVD method or a PVD method, and further, a target type, composition, and film formation. A desired adhesion layer and an intermediate layer can be formed by selecting conditions and the like, and a desired crystal structure is formed on the intermediate layer having the (0001) plane orientation thus formed by MOCVD. Since an upper layer having crystal orientation can be formed, a coated tool excellent in chipping resistance and wear resistance can be easily and reliably manufactured.
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。 Next, the coated tool of the present invention will be specifically described with reference to examples.
原料粉末として、いずれも1〜3μmの平均粒径を有するWC粉末、TiC粉末、ZrC粉末、VC粉末、TaC粉末、NbC粉末、Cr3C2粉末、TiN粉末、およびCo粉末を用意し、これら原料粉末を、表1に示される配合組成に配合し、さらにワックスを加えてアセトン中で24時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、98MPaの圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を5Paの真空中、1370〜1470℃の範囲内の所定の温度に1時間保持の条件で真空焼結し、焼結後、切刃部にR:0.06mmのホーニング加工を施すことにより、ISO規格にSPMN120308として規定されるインサート形状をもったWC基超硬合金製の工具基体A〜Fをそれぞれ製造した。 As raw material powders, WC powder, TiC powder, ZrC powder, VC powder, TaC powder, NbC powder, Cr 3 C 2 powder, TiN powder, and Co powder each having an average particle diameter of 1 to 3 μm are prepared. The raw material powder is blended in the blending composition shown in Table 1, added with wax, ball mill mixed in acetone for 24 hours, dried under reduced pressure, and press-molded into a green compact of a predetermined shape at a pressure of 98 MPa. The green compact is vacuum-sintered in a vacuum of 5 Pa at a predetermined temperature within a range of 1370 to 1470 ° C. for 1 hour. After sintering, the cutting edge is subjected to a honing process of R: 0.06 mm. Thus, tool bases A to F made of a WC-based cemented carbide having an insert shape defined as SPMN120308 in the ISO standard were manufactured.
また、原料粉末として、いずれも0.5〜2μmの平均粒径を有するTiCN(質量比で、TiC/TiN=50/50)粉末、Mo2 C粉末、ZrC粉末、NbC粉末、TaC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、ボールミルで24時間湿式混合し、乾燥した後、98MPaの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を1.3kPaの窒素雰囲気中、温度:1540℃に1時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にR:0.06mmのホーニング加工を施すことにより、ISO規格にSPMN120308として規定されるインサート形状をもったTiCN基サーメット製の工具基体a〜fを形成した。 Further, as raw material powders, TiCN (mass ratio, TiC / TiN = 50/50) powder, Mo 2 C powder, ZrC powder, NbC powder, TaC powder, WC, all having an average particle diameter of 0.5 to 2 μm. Prepare powder, Co powder, and Ni powder, blend these raw material powders into the composition shown in Table 2, wet mix with a ball mill for 24 hours, dry, and press-mold into a green compact at 98 MPa pressure The green compact was sintered in a nitrogen atmosphere of 1.3 kPa at a temperature of 1540 ° C. for 1 hour, and after sintering, the cutting edge portion was subjected to a honing process of R: 0.06 mm. Then, tool bases a to f made of TiCN-based cermet having an insert shape specified as SPMN120308 in the ISO standard were formed.
ついで、これらの工具基体A〜Fおよび工具基体a〜fのそれぞれを、通常の化学蒸着装置またはアークイオンプレーティング装置に装入し、
(a)まず、表3(表3中のl−TiCNは特開平6−8010号公報に記載される縦長成長結晶組織をもつTiCN層の形成条件を示すものであり、これ以外は通常の粒状結晶組織の形成条件を示すものである)に示される条件にて、表5、6に示される目標層厚のTi化合物層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成した。
ついで、下部層を形成した前記工具基体をPLD装置に装入し、
(b)まず、表4に示される成膜条件で、YSZターゲットに対してエキシマレーザーを照射し、工具基体の下部層の上に、表5、6に示される目標層厚の(001)配向性を有する密着層(YSZ層)を形成し、
(c)ついで、同じく表4に示される条件で、各種のターゲットに対してエキシマレーザーを照射し、密着層の上に、表5,6に示される目標層厚の、かつ、(0001)面配向性を有する中間層((Cr,Al)2O3層、Cr2O3層)を形成し、
(d)その後、同じく表4に示される条件で、各種のガス組成に対して高周波誘導加熱で、(0001)面配向性を有する中間層の上に、表5,6に示される目標層厚の、かつ、(0001)面配向性を有する上部層(α−Al2O3層)を形成することにより、本発明被覆工具1〜16を製造した。
Next, each of the tool bases A to F and the tool bases a to f is charged into a normal chemical vapor deposition apparatus or arc ion plating apparatus,
(A) First, Table 3 (l-TiCN in Table 3 indicates the conditions for forming a TiCN layer having a vertically elongated crystal structure described in JP-A-6-8010, and the other conditions are ordinary granularity. The Ti compound layer having the target layer thickness shown in Tables 5 and 6 was vapor-deposited as the lower layer of the hard coating layer under the conditions shown in FIG.
Then, the tool base on which the lower layer is formed is charged into a PLD apparatus,
(B) First, the YSZ target is irradiated with an excimer laser under the film formation conditions shown in Table 4, and the (001) orientation of the target layer thickness shown in Tables 5 and 6 is formed on the lower layer of the tool base. Forming an adhesive layer (YSZ layer) having
(C) Next, excimer laser was irradiated to various targets under the same conditions as shown in Table 4, and the target layer thicknesses shown in Tables 5 and 6 and the (0001) plane were formed on the adhesion layer. Forming an intermediate layer ((Cr, Al) 2 O 3 layer, Cr 2 O 3 layer) having orientation;
(D) Thereafter, the target layer thicknesses shown in Tables 5 and 6 are formed on the intermediate layer having (0001) plane orientation by high-frequency induction heating for various gas compositions under the conditions shown in Table 4 In addition, the coated tools 1 to 16 of the present invention were manufactured by forming an upper layer (α-Al 2 O 3 layer) having (0001) plane orientation.
また、比較の目的で、特開2009−72838号公報(特許文献1に同じ)に示される密着層、中間層、上部層ともにPLD法で形成し、比較被覆工具1〜16をそれぞれ製造した。
つまり、工具基体A〜Fおよび工具基体a〜fのそれぞれを、通常の化学蒸着装置またはアークイオンプレーティング装置に装入し、
(a)まず、表3(表3中のl−TiCNは特開平6−8010号公報に記載される縦長成長結晶組織をもつTiCN層の形成条件を示すものであり、これ以外は通常の粒状結晶組織の形成条件を示すものである)に示される条件にて、表7、8に示される目標層厚のTi化合物層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成した。
ついで、下部層を形成した前記工具基体をPLD装置に装入し、
(b)まず、表4に示される成膜条件で、YSZターゲットに対してエキシマレーザーを照射し、工具基体の下部層の上に、表7、8に示される目標層厚の(001)配向性を有する密着層(YSZ層)を形成し、
(c)ついで、同じく表4に示される条件で、各種のターゲットに対してエキシマレーザーを照射し、密着層の上に、表7,8に示される目標層厚の、かつ、(0001)面配向性を有する中間層((Cr,Al)2O3層、Cr2O3層)を形成し、
(d)その後、同じく表4に示される条件で、各種のターゲットに対してエキシマレーザーを照射し、(0001)面配向性を有する中間層の上に、表7,8に示される目標層厚の、かつ、(0001)面配向性を有する上部層(α−Al2O3層、(Cr,Al)2O3)を形成することにより、比較被覆工具1〜16を製造した。
For comparison purposes, the adhesion layer, the intermediate layer, and the upper layer disclosed in JP-A-2009-72838 (same as Patent Document 1) were formed by the PLD method, and comparative coated tools 1 to 16 were produced.
That is, each of the tool bases A to F and the tool bases a to f is charged into a normal chemical vapor deposition apparatus or arc ion plating apparatus,
(A) First, Table 3 (l-TiCN in Table 3 indicates the conditions for forming a TiCN layer having a vertically elongated crystal structure described in JP-A-6-8010, and the other conditions are ordinary granularity. The Ti compound layer having the target layer thickness shown in Tables 7 and 8 was vapor-deposited as a lower layer of the hard coating layer under the conditions shown in FIG.
Then, the tool base on which the lower layer is formed is charged into a PLD apparatus,
(B) First, the YSZ target is irradiated with an excimer laser under the film formation conditions shown in Table 4, and the (001) orientation of the target layer thickness shown in Tables 7 and 8 is formed on the lower layer of the tool base. Forming an adhesive layer (YSZ layer) having
(C) Next, excimer laser was irradiated to various targets under the same conditions as shown in Table 4, and the target layer thicknesses shown in Tables 7 and 8 and (0001) planes were formed on the adhesion layers. Forming an intermediate layer ((Cr, Al) 2 O 3 layer, Cr 2 O 3 layer) having orientation;
(D) Thereafter, various targets are irradiated with excimer laser under the same conditions as shown in Table 4, and the target layer thicknesses shown in Tables 7 and 8 are formed on the intermediate layer having (0001) plane orientation. Comparative coating tools 1 to 16 were manufactured by forming an upper layer (α-Al 2 O 3 layer, (Cr, Al) 2 O 3 ) having (0001) plane orientation.
ついで、前記本発明被覆工具1〜16および比較被覆工具1〜16について、これらの硬質被覆層の構成層をオージェ分光分析装置を用いて観察(層の縦断面を観察)したところ、目標組成と実質的に同じ組成を有することが確認され、また、これらの被覆工具の硬質被覆層の構成層の厚さを、走査型電子顕微鏡を用いて測定(同じく縦断面測定)したところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ平均層厚(5点測定の平均値)を示した。
また、本発明被覆工具1〜16の硬質被覆層を構成する密着層、中間層、上部層および比較被覆工具1〜16の硬質被覆層の上部層について、X線回折によりその結晶構造を同定するとともに、結晶配向度を評価した。
その結果を表5〜8に示す。
Next, for the inventive coated tools 1-16 and comparative coated tools 1-16, the constituent layers of these hard coating layers were observed using an Auger spectroscopic analyzer (observed longitudinal section of the layers). It was confirmed that they had substantially the same composition, and the thicknesses of the constituent layers of the hard coating layers of these coated tools were measured using a scanning electron microscope (same longitudinal section measurement). The average layer thickness (average value of 5-point measurement) substantially the same as the layer thickness was shown.
Moreover, about the adhesion layer, intermediate | middle layer, upper layer which comprises the hard coating layer of this invention coating tool 1-16, and the upper layer of the hard coating layer of the comparative coating tool 1-16, the crystal structure is identified by X-ray diffraction. At the same time, the degree of crystal orientation was evaluated.
The results are shown in Tables 5-8.
ここで、密着層YSZの配向性は、2θが20〜80°の範囲において(002)面の回折ピークが最強ピークであるときを(001)配向であるとした。
また、Cr2O3、(Cr,Al)2O3、Al2O3層の配向性は、下式により算出したTC(006)の値が2以上であるときを(0001)配向であるとした。
TC(hkl)=I(hkl)/I0(hkl)×[1/n×ΣI(hkl)/I0(hkl)]
TC(hkl):texture coefficient(配向性指数,組織係数)
I(hkl)=(hkl)面の回折強度の測定値
I0(hkl)=ASTMによる(hkl)面の標準強度
n=計算に使用した回折面の数(7)
使用した回折面:(012),(104),(110),(006),(113),(024),(116)
Here, the orientation of the adhesion layer YSZ was defined as the (001) orientation when the diffraction peak of the (002) plane was the strongest peak in the range of 2θ of 20 to 80 °.
The orientation of the Cr 2 O 3 , (Cr, Al) 2 O 3 , and Al 2 O 3 layers is (0001) orientation when the value of TC (006) calculated by the following formula is 2 or more. It was.
TC (hkl) = I (hkl) / I 0 (hkl) × [1 / n × ΣI (hkl) / I 0 (hkl)]
TC (hkl): texture coefficient (orientation index, texture coefficient)
Measured value of diffraction intensity of I (hkl) = (hkl) plane I 0 (hkl) = standard intensity of (hkl) plane by ASTM n = number of diffraction planes used for calculation (7)
Diffraction surfaces used: (012), (104), (110), (006), (113), (024), (116)
つぎに、本発明被覆工具1〜16および比較被覆工具1〜16について、次の切削条件A〜Cにより、単刃での高速高送りミーリング加工を実施した。
[切削条件A]
被削材: JIS・SS400のブロック材、
切削速度: 500 m/min、
切り込み: 1.5 mm、
切削幅: 30 mm(センターカット)
一刃送り量:0.25 mm/刃、
切削時間: 10 分、
の条件での軟鋼の乾式高速切削試験(通常の切削速度は、280m/min)。
[切削条件B]
被削材: JIS・S45Cのブロック材、
切削速度: 480 m/min、
切り込み: 1.5 mm、
切削幅: 2.0 mm(ダウンカット)
一刃送り量:0.22 mm/刃、
切削時間: 5 分、
の条件での炭素鋼の乾式高速切削試験(通常の切削速度は、200m/min)。
[切削条件C]
被削材: JIS・FC300のブロック、
切削速度: 500 m/min、
切り込み: 2.0 mm、
切削幅: 30 mm(センターカット)
一刃送り量:0.25 mm/刃、
切削時間: 10 分、
の条件での普通鋳鉄の湿式高速切削試験(通常の切削速度は、250m/min)。
そして、前記各切削試験における切刃の逃げ面摩耗幅を測定し、この測定結果を表9に示した。
Next, high-speed high-feed milling with a single blade was performed on the present coated tools 1 to 16 and comparative coated tools 1 to 16 under the following cutting conditions A to C.
[Cutting conditions A]
Work material: Block material of JIS / SS400,
Cutting speed: 500 m / min,
Cutting depth: 1.5 mm,
Cutting width: 30 mm (center cut)
Single blade feed rate: 0.25 mm / tooth,
Cutting time: 10 minutes,
Dry high-speed cutting test of mild steel under normal conditions (normal cutting speed is 280 m / min).
[Cutting conditions B]
Work material: Block material of JIS / S45C,
Cutting speed: 480 m / min,
Cutting depth: 1.5 mm,
Cutting width: 2.0 mm (down cut)
Single blade feed rate: 0.22 mm / tooth,
Cutting time: 5 minutes,
Dry high-speed cutting test of carbon steel under the conditions (normal cutting speed is 200 m / min).
[Cutting conditions C]
Work material: JIS / FC300 block,
Cutting speed: 500 m / min,
Cutting depth: 2.0 mm,
Cutting width: 30 mm (center cut)
Single blade feed rate: 0.25 mm / tooth,
Cutting time: 10 minutes,
Wet high-speed cutting test of normal cast iron under the conditions (normal cutting speed is 250 m / min).
And the flank wear width of the cutting edge in each said cutting test was measured, and this measurement result was shown in Table 9.
表5〜9に示される結果から、本発明被覆工具1〜16はいずれも、下部層と上部層の間に、(001)面配向性を有する密着層および(0001)面配向性を有する中間層が介在形成され、さらに、上部層は、高い(0001)面配向性を有するα−Al2O3層で形成されているため、硬質被覆層各層間の密着強度が大で、硬質被覆層全体としての高温強度も高いため、高速高送りミーリング切削においてすぐれた耐チッピング性を示し、また、密着層が(001)面配向性を有し、その結果、中間層および上部層が(0001)面配向度の高い結晶構造であるため、高速高送りミーリング切削においてもすぐれた耐摩耗性を示している。
また、本発明被覆工具1〜16の製造方法は、通常のCVD法あるいはPVD法により硬質被覆層の下部層を形成し、ついで、所定条件下でのPLD法により、硬質被覆層の密着層および中間層を形成し、ついで、所定条件下でのMOCVD法により、硬質被覆層の上部層を形成するものであるが、ターゲットの種類、組成を選択し、所定の条件下で、ターゲットにレーザーを照射して、結晶配向性の高められた所定の結晶構造の密着層および中間層を形成した上にMOCVD法により結晶配向性の一層高められた上部層を形成することができるので、高速高送りミーリングという厳しい切削条件下で要求される工具特性を備えた被覆工具を、簡易な方法でかつ確実に製造することができる。
From the results shown in Tables 5 to 9, all of the coated tools 1 to 16 of the present invention have an adhesion layer having (001) plane orientation and an intermediate having (0001) plane orientation between the lower layer and the upper layer. In addition, since the upper layer is formed of an α-Al 2 O 3 layer having high (0001) plane orientation, the adhesion strength between the hard coating layers is large, and the hard coating layer The high-temperature strength as a whole is also high, so that it shows excellent chipping resistance in high-speed high-feed milling, and the adhesion layer has (001) plane orientation. As a result, the intermediate layer and the upper layer are (0001) Since it has a crystal structure with a high degree of plane orientation, it exhibits excellent wear resistance even in high-speed high-feed milling.
Moreover, the manufacturing method of this invention coated tool 1-16 forms the lower layer of a hard coating layer by normal CVD method or PVD method, and then the adhesion layer of a hard coating layer and PLD method under predetermined conditions An intermediate layer is formed, and then the upper layer of the hard coating layer is formed by MOCVD under a predetermined condition. The type and composition of the target are selected, and a laser is applied to the target under the predetermined condition. Irradiation can form an upper layer with a further enhanced crystal orientation by MOCVD after forming an adhesion layer and an intermediate layer with a predetermined crystal structure with an enhanced crystal orientation. A coated tool having tool characteristics required under severe cutting conditions such as milling can be reliably produced by a simple method.
これに対して、硬質被覆層の上部層が密着層および中間層と同様、PLD法で形成された比較被覆工具1〜16においては、上部層の(Al2O3層)の(0001)面配向度が低いため、硬質被覆層の各層間の密着強度が十分でなく、硬質被覆層全体としての耐摩耗性も不十分であり、高速高送りミーリング加工において層間剥離、欠損、チッピングを発生しやすく、その結果、比較的短時間で使用寿命に至るものであった。 On the other hand, in the comparative coating tools 1 to 16 in which the upper layer of the hard coating layer is formed by the PLD method similarly to the adhesion layer and the intermediate layer, the (0001) plane of the (Al 2 O 3 layer) of the upper layer Since the degree of orientation is low, the adhesion strength between each layer of the hard coating layer is not sufficient, and the wear resistance of the entire hard coating layer is also insufficient, causing delamination, chipping and chipping during high-speed high-feed milling. As a result, the service life was reached in a relatively short time.
前述のように、本発明の被覆工具およびその製造方法は、鋼や鋳鉄などの各種被削材の高速高送りミーリング加工のような厳しい切削条件下でも、チッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を示し、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、切削装置の高性能化並びに切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に十分満足に対応できるものである。 As described above, the coated tool of the present invention and the manufacturing method thereof have excellent wear resistance without occurrence of chipping even under severe cutting conditions such as high-speed high-feed milling of various work materials such as steel and cast iron. Since it exhibits excellent cutting performance over a long period of time, it can sufficiently satisfy the high performance of the cutting device, the labor saving and energy saving of the cutting work, and the cost reduction.
Claims (4)
前記硬質被覆層が、
(a)下部層として、0.3〜5μmの合計層厚を有するチタンの炭化物層、チタンの窒化物層、チタンの炭窒化物層およびチタンとアルミニウムの複合窒化物層のうちの1層または2層以上からなるチタン化合物層、
(b)密着層として、0.02〜0.2μmの層厚を有するイットリウム安定化ジルコニア層、
(c)中間層として、0.02〜0.5μmの合計層厚を有し、さらに、結晶構造がコランダム構造からなり(0001)面配向性を有し、かつ、アルミニウムとの合量に占めるクロムの含有割合(Cr/(Cr+Al))が0.2〜1(但し、原子比)であるクロムとアルミニウムの酸化物固溶体層、あるいは、クロムの酸化物層、
(d)上部層として、0.3〜3.0μmの層厚を有し、さらに、結晶構造がコランダム構造からなり、TC(006)の値が5.4以上である(0001)面配向性を有し、かつ、MOCVD法で形成されたα−アルミナ層、
前記(a)〜(d)の下部層、密着層、中間層および上部層からなることを特徴とする表面被覆切削工具。 In a surface-coated cutting tool in which a hard coating layer is provided on the surface of a tool base composed of tungsten carbide-based cemented carbide or titanium carbonitride-based cermet,
The hard coating layer is
(A) As a lower layer, one of a titanium carbide layer, a titanium nitride layer, a titanium carbonitride layer, and a composite nitride layer of titanium and aluminum having a total layer thickness of 0.3 to 5 μm or A titanium compound layer composed of two or more layers,
(B) as an adhesion layer, an yttrium-stabilized zirconia layer having a layer thickness of 0.02 to 0.2 μm,
(C) The intermediate layer has a total layer thickness of 0.02 to 0.5 μm, and the crystal structure is a corundum structure, has (0001) plane orientation, and occupies the total amount with aluminum. An oxide solid solution layer of chromium and aluminum having a chromium content (Cr / (Cr + Al)) of 0.2 to 1 (however, atomic ratio), or an oxide layer of chromium,
(D) The upper layer has a layer thickness of 0.3 to 3.0 μm, further has a crystal structure of a corundum structure, and has a TC (006) value of 5.4 or more (0001) plane orientation And an α-alumina layer formed by the MOCVD method,
A surface-coated cutting tool comprising the lower layer, the adhesion layer, the intermediate layer, and the upper layer of (a) to (d).
(a)反応器内で化学蒸着又は物理蒸着により、チタンの炭化物層、チタンの窒化物層、チタンの炭窒化物層およびチタンとアルミニウムの複合窒化物層のうちの1層または2層以上からなるチタン化合物層を、0.3〜5μmの合計層厚になるまで蒸着して下部層を形成する工程と、
(b)次に、工具基体の温度を500〜850℃に保持し、雰囲気中の酸素分圧を1×10−2〜10Paとした真空雰囲気中で、イットリウム安定化ジルコニアからなるターゲットにレーザーを照射して、前記下部層表面に、0.02〜0.2μmの層厚のイットリウム安定化ジルコニア層からなる密着層を形成する工程と、
(c)次いで、クロム酸化物またはクロム酸化物とα−アルミナの混合体からなるターゲットに、前記(b)と同様な条件でレーザーを照射し、前記密着層表面に、0.05〜0.5μmの層厚で結晶構造がコランダム構造からなり(0001)面配向性を有し、かつ、アルミニウムとの合量に占めるクロムの含有割合(Cr/(Cr+Al))が0.2〜1(但し、原子比)であるクロムとアルミニウムの酸化物固溶体層、あるいは、クロムの酸化物層からなる中間層を形成する工程と、
(d)その後、前記工具基体の温度を850〜1050℃に保持するとともに、反応器内の圧力を50〜10,000Paに保持し、アルゴン(Ar)および/または水素(H2)をキャリアガスとしてトリメチルアルミニウム(Al(CH3)3)および酸素(O2)および/または二酸化炭素(CO2)を供給することにより、前記中間層表面に、0.3〜3.0μmの層厚を有し、かつ、結晶構造がコランダム構造を有し、TC(006)の値が5.4以上である(0001)面配向性を有するα−アルミナ層からなる上部層をMOCVD法により形成する工程とから形成されることを特徴とする表面被覆切削工具の製造方法。 In the method of manufacturing a surface-coated cutting tool in which a hard coating layer composed of a lower layer, an adhesion layer, an intermediate layer, and an upper layer is formed on the surface of a tool base composed of a tungsten carbide-based cemented carbide or a titanium carbonitride-based cermet, Hard coating layer
(A) From one or more of a titanium carbide layer, a titanium nitride layer, a titanium carbonitride layer, and a titanium and aluminum composite nitride layer by chemical vapor deposition or physical vapor deposition in a reactor. Forming a lower layer by depositing a titanium compound layer to be a total layer thickness of 0.3 to 5 μm;
(B) Next, a laser is applied to a target made of yttrium-stabilized zirconia in a vacuum atmosphere in which the temperature of the tool base is maintained at 500 to 850 ° C. and the oxygen partial pressure in the atmosphere is 1 × 10 −2 to 10 Pa. Irradiating to form an adhesion layer made of an yttrium-stabilized zirconia layer having a thickness of 0.02 to 0.2 μm on the surface of the lower layer;
(C) Next, a target composed of chromium oxide or a mixture of chromium oxide and α-alumina is irradiated with a laser under the same conditions as in (b) above, and 0.05 to 0. The crystal structure is a corundum structure with a layer thickness of 5 μm, has (0001) plane orientation, and the chromium content (Cr / (Cr + Al)) in the total amount with aluminum is 0.2 to 1 (however, A step of forming an intermediate layer composed of an oxide solid solution layer of chromium and aluminum having an atomic ratio) or an oxide layer of chromium;
(D) then, while maintaining the temperature of the tool substrate to from 850 to 1050 ° C., to maintain the pressure in the reactor to 50~10,000Pa, argon (Ar) and / or hydrogen (H 2) carrier gas By supplying trimethylaluminum (Al (CH 3 ) 3 ) and oxygen (O 2 ) and / or carbon dioxide (CO 2 ) as the intermediate layer surface having a layer thickness of 0.3 to 3.0 μm. and, and, the step of crystal structure have a corundum structure is formed by MOCVD an upper layer made of the value of TC (006) is 5.4 or more (0001) plane orientation to have a α- alumina layer A method for producing a surface-coated cutting tool, wherein
The method of manufacturing a surface-coated cutting tool according to claim 3, wherein the heating of the tool base in the step (d) is a heating by a cold wall method.
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