JP6601694B2 - 被覆切削工具 - Google Patents
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Description
[1]基材と前記基材の表面に形成された被覆層とを含む被覆切削工具であって、前記被覆層は、組成の異なる2種の化合物層を交互に各2層以上積層した交互積層構造を有し、前記交互積層構造は、下記式(1):
(TixMySiz)N (1)
[式中、MはZr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、WおよびAlからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を表し、xはTiとMで表される元素とSiとの合計に対するTiの原子比を表し、yはTiと前記Mで表される元素とSiとの合計に対する前記Mで表される元素の原子比を表し、zはTiと前記Mで表される元素とSiとの合計に対するSiの原子比を表し、0.20≦x≦0.50、0.20≦y≦0.50、0.03≦z≦0.30、x+y+z=1を満足する。]
で表される組成を有する化合物を含む化合物層と、下記式(2):
(TiaMbSic)N (2)
[式中、MはZr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、WおよびAlからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を表し、aはTiとMで表される元素とSiとの合計に対するTiの原子比を表し、bはTiと前記Mで表される元素とSiとの合計に対する前記Mで表される元素の原子比を表し、cはTiと前記Mで表される元素とSiとの合計に対するSiの原子比を表し、0.20≦a≦0.49、0.21≦b≦0.50、0.04≦c≦0.30、a+b+c=1を満足する。]
で表される組成を有する化合物を含む化合物層とから構成され、前記交互積層構造を構成する第1の化合物層と当該化合物層に隣接した前記交互積層構造を構成する他の化合物層とに含まれる、Tiと前記Mで表される元素とSiとのうちの少なくとも2種について、前記第1の化合物層に含まれる全金属元素の量に対する特定の金属元素の量と、前記他の化合物層に含まれる全金属元素の量に対する前記特定の金属元素の量と、の差の絶対値が、1原子%以上、かつ、5原子%未満であり、前記第1の化合物層と前記他の化合物層とに含まれる、全ての金属元素について、前記絶対値は、5原子%未満であり、前記化合物層のそれぞれの平均厚さは、1nm以上50nm以下であり、前記交互積層構造の平均厚さは、1.0μm以上15μm以下である、被覆切削工具。
[2]Tiと前記Mで表される元素とSiとのうちの2種について、前記絶対値が、1原子%以上、かつ、5原子%未満である、(1)の被覆切削工具。
[3]前記交互積層構造を構成する第1の化合物層と当該化合物層に隣接した前記交互積層構造を構成する他の化合物層とに含まれる、Tiと前記Mで表される元素とSiとのうちの少なくとも2種について、前記第1の化合物層に含まれる全金属元素の量に対する特定の金属元素の量と、前記他の化合物層に含まれる全金属元素の量に対する前記特定の金属元素の量と、の差の絶対値が、1原子%以上、かつ、4原子%以下であり、前記第1の化合物層と前記他の化合物層とに含まれる、全ての金属元素について、前記絶対値は、4原子%以下である、[1]又は[2]に記載の被覆切削工具。
[4]前記被覆切削工具は、すくい面と逃げ面との交差稜線に切刃を有し、前記すくい面における前記交互積層構造中のTiの原子基準での含有比率をTirとし、前記逃げ面における前記交互積層構造中のTiの原子基準での含有比率をTifとしたとき、Tirに対するTifの比[Tif/Tir]が、1.05以上1.20以下である、[1]〜[3]のいずれか1つに記載の被覆切削工具。
[5]前記被覆層は、前記基材と前記交互積層構造との間に、下部層を有し、前記下部層は、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、SiおよびYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、C、N、OおよびBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物の単層または積層であり、前記下部層の平均厚さは、0.1μm以上3.5μm以下である、[1]〜[4]のいずれか1つに記載の被覆切削工具。
[6]前記被覆層は、前記交互積層構造の表面に、上部層を有し、前記上部層は、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、SiおよびYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、C、N、OおよびBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物の単層または積層であり、前記上部層の平均厚さは、0.1μm以上3.5μm以下である、[1]〜[5]のいずれか1つに記載の被覆切削工具。
[7]前記被覆層全体の平均厚さは、1.0μm以上15μm以下である、[1]〜[6]のいずれか1つに記載の被覆切削工具。
[8]前記基材は、超硬合金、サーメット、セラミックスまたは立方晶窒化硼素焼結体のいずれかである、[1]〜[7]のいずれか1つに記載の被覆切削工具。
(TixMySiz)N (1)
ここで、式(1)中、MはZr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、WおよびAlからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を表し、xはTiとMで表される元素(以下、単に「M元素」ともいう。)とSiとの合計に対するTiの原子比を表し、yはTiとM元素とSiとの合計に対するM元素の原子比を表し、zはTiとM元素とSiとの合計に対するSiの原子比を表し、0.20≦x≦0.50、0.20≦y≦0.50、0.03≦z≦0.30、x+y+z=1を満足する。本実施形態のこの化合物層における、Tiの原子比(x)が、0.20以上であると、Tiの含有量が多くなることにより、下記式(2)で表される組成を有する化合物層におけるTiの原子比(a)に基づく効果と相俟って、耐摩耗性の低下をさらに抑制できる。一方、Tiの原子比(x)が0.50以下であると、相対的にM元素またはSiの含有量が増加するため、下記式(2)で表される組成を有する化合物層におけるTiの原子比(a)に基づく効果と相俟って、耐酸化性および耐熱性の低下をさらに抑制できる。M元素の原子比(y)が、0.20以上であると、M元素の含有量が多くなることにより、下記式(2)で表される組成を有する化合物層におけるM元素の原子比(b)に基づく効果と相俟って、耐酸化性および耐熱性の低下をさらに抑制できる。一方、M元素の原子比(y)が0.50以下であると、相対的にTiの含有量が増加するため、下記式(2)で表される組成を有する化合物層におけるM元素の原子比(b)に基づく効果と相俟って、耐摩擦性の低下をさらに抑制できる。Siの原子比(z)が、0.03以上であると、Siの含有量が多くなることにより、下記式(2)で表される組成を有する化合物層におけるSiの原子比(c)に基づく効果と相俟って、耐酸化性および耐熱性の低下をさらに抑制できる。一方、Siの原子比(z)が0.30以下であると、相対的にTiの含有量が増加するため、下記式(2)で表される組成を有する化合物層におけるSiの原子比(c)に基づく効果と相俟って、耐摩擦性の低下をさらに抑制できる。同様の観点から、0.24≦x≦0.50、0.25≦y≦0.50、0.10≦z≦0.26であると好ましい。また、この化合物層を構成するM元素は、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、WおよびAlからなる群より選ばれる少なくとも1種であると、耐酸化性や耐摩耗性が向上する。
(TiaMbSic)N (2)
ここで、式(2)中、MはZr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、WおよびAlからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を表し、aはTiとM元素とSiとの合計に対するTiの原子比を表し、bはTiとM元素とSiとの合計に対するM元素の原子比を表し、cはTiとM元素とSiとの合計に対するSiの原子比を表し、0.20≦a≦0.49、0.21≦b≦0.50、0.04≦c≦0.30、a+b+c=1を満足する。
本実施形態のこの化合物層における、Tiの原子比(a)が、0.20以上であると、Tiの含有量が多くなることにより、上記式(1)で表される組成を有する化合物層におけるTiの原子比(x)に基づく効果と相俟って、耐摩耗性の低下をさらに抑制できる。一方、Tiの原子比(a)が0.50以下であると、相対的にM元素またはSiの含有量が増加するため、上記式(1)で表される組成を有する化合物層におけるTiの原子比(x)に基づく効果と相俟って、耐酸化性および耐熱性の低下をさらに抑制できる。M元素の原子比(b)が、0.21以上であると、M元素の含有量が多くなることにより、上記式(1)で表される組成を有する化合物層におけるM元素の原子比(y)に基づく効果と相俟って、耐酸化性および耐熱性の低下をさらに抑制できる。一方、M元素の原子比(b)が0.50以下であると、相対的にTiの含有量が増加するため、上記式(1)で表される組成を有する化合物層におけるM元素の原子比(y)に基づく効果と相俟って、耐摩擦性の低下をさらに抑制できる。Siの原子比(c)が、0.04以上であると、Siの含有量が多くなることにより、上記式(1)で表される組成を有する化合物層におけるSiの原子比(z)に基づく効果と相俟って、耐酸化性および耐熱性の低下をさらに抑制できる。一方、Siの原子比(c)が0.30以下であると、相対的にTiの含有量が増加するため、上記式(1)で表される組成を有する化合物層におけるSiの原子比(z)に基づく効果と相俟って、耐摩擦性の低下をさらに抑制できる。同様の観点から、0.20≦a≦0.47、0.25≦b≦0.50、0.08≦c≦0.30であると好ましい。また、化合物層を構成する元素は、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、AlおよびSiからなる群より選ばれる少なくとも1種であると、耐酸化性や耐摩耗性が向上する。
基材として、ISO規格SEEN1203AGTN形状のインサートに加工し、93.0WC−7.0Co(以上質量%)の組成を有する超硬合金を用意した。アークイオンプレーティング装置の反応容器内に、表1および表2に示す各層の組成になるよう金属蒸発源を配置した。用意した基材を、反応容器内の回転テーブルの治具に固定した。このとき、金属蒸発源に対向する面が逃げ面となるように基材を設置した。
被削材:SKD61、
被削材形状:100mm×250mm×100mmの直方体、
切削速度:250m/min、
送り:0.25mm/tooth、
切り込み:1.5mm、
クーラント:無し、
評価項目:逃げ面摩耗幅が0.3mmに至ったときを工具寿命とし、工具寿命に至るまでの加工長を測定した。
被削材:SKD61、
被削材形状:100mm×250mm×100mmの直方体(但し、正面フライス加工を行う直方体の100mm×250mmの面に直径φ40mmの穴が6箇所明けられている。)、
切削速度:200m/min、
送り:0.20mm/tooth、
切り込み:2.0mm、
クーラント:有り、
評価項目:試料が欠損(試料の切れ刃部に欠けが生じる)したとき、または逃げ面摩耗幅が0.3mmに至ったときを工具寿命とし、工具寿命に至るまでの加工長を測定した。
基材として、ISO規格SEEN1203AGTN形状のインサートに加工し、93.0WC−7.0Co(以上質量%)の組成を有する超硬合金を用意した。アークイオンプレーティング装置の反応容器内に、表9に示す各層の組成になるよう金属蒸発源を配置した。用意した基材を、反応容器内の回転テーブルの治具に固定した。
Claims (8)
- 基材と前記基材の表面に形成された被覆層とを含む被覆切削工具であって、前記被覆層は、組成の異なる2種の化合物層を交互に各2層以上積層した交互積層構造を有し、
前記交互積層構造は、下記式(1):
(TixMySiz)N (1)
[式中、MはZr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、WおよびAlからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を表し、xはTiとMで表される元素とSiとの合計に対するTiの原子比を表し、yはTiと前記Mで表される元素とSiとの合計に対する前記Mで表される元素の原子比を表し、zはTiと前記Mで表される元素とSiとの合計に対するSiの原子比を表し、0.20≦x≦0.50、0.20≦y≦0.50、0.03≦z≦0.30、x+y+z=1を満足する。]
で表される組成を有する化合物を含む化合物層と、下記式(2):
(TiaMbSic)N (2)
[式中、MはZr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、WおよびAlからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を表し、aはTiとMで表される元素とSiとの合計に対するTiの原子比を表し、bはTiと前記Mで表される元素とSiとの合計に対する前記Mで表される元素の原子比を表し、cはTiと前記Mで表される元素とSiとの合計に対するSiの原子比を表し、0.20≦a≦0.49、0.21≦b≦0.50、0.04≦c≦0.30、a+b+c=1を満足する。]
で表される組成を有する化合物を含む化合物層とから構成され、
前記交互積層構造を構成する第1の化合物層と当該化合物層に隣接した前記交互積層構造を構成する他の化合物層とに含まれる、Tiと前記Mで表される元素とSiとのうちの少なくとも2種について、前記第1の化合物層に含まれる全金属元素の量に対する特定の金属元素の量と、前記他の化合物層に含まれる全金属元素の量に対する前記特定の金属元素の量と、の差の絶対値が、1原子%以上、かつ、5原子%未満であり、
前記第1の化合物層と前記他の化合物層とに含まれる、全ての金属元素について、前記絶対値は、5原子%未満であり、
前記化合物層のそれぞれの平均厚さは、1nm以上50nm以下であり、前記交互積層構造の平均厚さは、1.0μm以上15μm以下である、被覆切削工具。 - Tiと前記Mで表される元素とSiとのうちの2種について、前記絶対値が、1原子%以上、かつ、5原子%未満である、請求項1に記載の被覆切削工具。
- 前記交互積層構造を構成する第1の化合物層と当該化合物層に隣接した前記交互積層構造を構成する他の化合物層とに含まれる、Tiと前記Mで表される元素とSiとのうちの少なくとも2種について、前記第1の化合物層に含まれる全金属元素の量に対する特定の金属元素の量と、前記他の化合物層に含まれる全金属元素の量に対する前記特定の金属元素の量と、の差の絶対値が、1原子%以上、かつ、4原子%以下であり、
前記第1の化合物層と前記他の化合物層とに含まれる、全ての金属元素について、前記絶対値は、4原子%以下である、請求項1又は2に記載の被覆切削工具。 - 前記被覆切削工具は、すくい面と逃げ面との交差稜線に切刃を有し、
前記すくい面における前記交互積層構造中のTiの原子基準での含有比率をTirとし、
前記逃げ面における前記交互積層構造中のTiの原子基準での含有比率をTifとしたとき、
Tirに対するTifの比[Tif/Tir]が、1.05以上1.20以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の被覆切削工具。 - 前記被覆層は、前記基材と前記交互積層構造との間に、下部層を有し、
前記下部層は、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、SiおよびYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、C、N、OおよびBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物の単層または積層であり、
前記下部層の平均厚さは、0.1μm以上3.5μm以下である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の被覆切削工具。 - 前記被覆層は、前記交互積層構造の表面に、上部層を有し、
前記上部層は、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、SiおよびYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、C、N、OおよびBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物の単層または積層であり、
前記上部層の平均厚さは、0.1μm以上3.5μm以下である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の被覆切削工具。 - 前記被覆層全体の平均厚さは、1.0μm以上15μm以下である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の被覆切削工具。
- 前記基材は、超硬合金、サーメット、セラミックスまたは立方晶窒化硼素焼結体のいずれかである、請求項1〜7のいずれか1項に記載の被覆切削工具。
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