WO2023182126A1 - 表面被覆切削工具 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a surface-coated cutting tool (hereinafter sometimes referred to as a coated tool).
- a coated tool This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2022-45633, which is a Japanese patent application filed on March 22, 2022. All contents described in the Japanese patent application are incorporated herein by reference.
- coated tools have been known in which a coating layer is formed on a base material such as tungsten carbide (hereinafter referred to as WC)-based cemented carbide. Proposals have been made to obtain a coated tool with further improved cutting performance by adjusting the composition and layer structure of this coating layer.
- WC tungsten carbide
- Patent Document 1 two types of layers, Ti x Al 1-x N and Ti y Al 1-y N (0 ⁇ x ⁇ 0.5, 0.5 ⁇ y ⁇ 1), are alternately repeated.
- a coated tool is described that has a coating layer formed into a laminate and the overall composition of the laminate is stoichiometrically aluminum-rich, and that the coated tool has excellent wear resistance and chipping resistance. has been done.
- the coating layer includes alternating layers, each of which has a thickness of 2 nm or more and 100 nm or less, and includes one or more first layers and one or more second layers.
- a coated tool is described in which 0.05 ⁇ da ⁇ 0.2 and 0.05 ⁇ be ⁇ 0.2, and the coated tool is said to have improved tool life. .
- a nanobeam diffraction pattern is indexed to the crystal structure of WC, and has an a-layer made of a carbide containing W and Ti, and a mutually laminated layer disposed on the a-layer.
- the a-layer has a thickness of 1 nm or more and 10 nm or less, and the mutual lamination is made of nitrided Al and Ti with an Al content ratio (atomic %) of 50% or more and 70% or less based on the total amount of metal elements.
- a layer B consisting of aluminum or carbonitride and a layer C consisting of a nitride or carbonitride of Al and Ti having an Al content ratio (atomic %) of 70% or more with respect to the total amount of the metal elements are alternately arranged.
- a coated tool is described which has a coating layer in which the difference in Al content ratio (atomic %) between the b layer and the c layer is 10% or more and 30% or less, and the coated tool is made of stainless steel. It is said to have excellent durability when cutting steel.
- Patent Document 4 discloses that the outermost layer of the coating layer is a hexagonal crystal consisting of 60% or more and 80% of Al in atomic percent of only metal components, and 5% or more and 10% or less of Si, with the remainder being Ti.
- a coated tool is described that is a coating composed of a nitride or carbonitride, and the coated tool is said to be durable.
- the present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances and the above-mentioned proposals, and it is an object of the present invention to provide a cutting tool that has excellent wear resistance even when used for high-speed cutting of not only steel and cast iron but also stainless steel and the like.
- high-speed cutting refers to cutting in which the cutting speed is 30% or more faster than normal cutting.
- the surface-coated cutting tool includes: It has a base and a coating layer provided on the base,
- the covering layer has a lower layer A and an upper layer B on the lower layer A,
- the average thickness At of the lower layer A is 0.3 ⁇ m or more and 6.0 ⁇ m or less
- the average thickness Bt of the upper layer B is 0.1 ⁇ m or more and 3.0 ⁇ m or less, and 2.0 ⁇ At.
- the lower layer A has an alternating stack of A1 ⁇ layers with an average thickness ⁇ t and A1 ⁇ layers with an average thickness ⁇ t, 0.5nm ⁇ t ⁇ 4.0nm, 0.5nm ⁇ t ⁇ 4.0nm, 0.7 ⁇ t/ ⁇ t ⁇ 1.3
- the composition of the A1 ⁇ layer is Al x Ti 1-x N (x avg , which is the average value of x, is 0.35 ⁇ x avg ⁇ 0.55)
- the composition of the A1 ⁇ layer is Al y Ti 1-y N (the average value of y avg is 0.60 ⁇ y avg ⁇ 0.80), 1.2 ⁇ y avg /x avg
- the composition of the upper layer B is Al a Ti 1-ab Si b N (the average value of a avg and the average value of b avg are respectively 0.35 ⁇ a avg ⁇ 0.60, 0.00 ⁇ b avg ⁇ 0.15).
- the surface-coated cutting tool according to the embodiment may satisfy the following requirements.
- the lower layer A is a lower layer A1 on the side of the base body and a lower layer A2 on the side of the upper layer B,
- the average thickness A1t of the lower layer A1 and the average thickness A2t of the lower layer A2 are 0.1 ⁇ m ⁇ A1t ⁇ 4.5 ⁇ m, 0.2 ⁇ m ⁇ A2t ⁇ 4.0 ⁇ m, and 0.5 ⁇ A1t/A2t ⁇ 3.
- the lower layer A1 is the alternating stack of the A1 ⁇ layer and the A1 ⁇ layer
- the lower layer A2 is an alternate stack of A2 ⁇ layers with an average thickness of ⁇ t and A2 ⁇ layers with an average thickness of ⁇ t, 1.5nm ⁇ t ⁇ 8.0nm, 1.5nm ⁇ t ⁇ 8.0nm, 0.7 ⁇ t/ ⁇ t ⁇ 1.3, 1.0 ⁇ ( ⁇ t+ ⁇ t)/( ⁇ t+ ⁇ t) ⁇ 6.0
- the composition of the A2 ⁇ layer is Al z Ti 1-z N (the average value of z avg is 0.30 ⁇ z avg ⁇ 0.50)
- the composition of the A2 ⁇ layer is Al w Ti 1-w N (w avg , which is the average value of w, is 0.55 ⁇ w avg ⁇ 0.75), 1.2 ⁇ w avg /z avg , In addition, 0.02 ⁇ (x avg ⁇ z avg ) ⁇ 0.30, and 0.02 ⁇ (y avg
- the surface-coated cutting tool exhibits excellent wear resistance even when used for high-speed cutting of stainless steel as well as steel and cast iron.
- FIG. 1 is an example of a schematic diagram of a vertical cross section of a coating layer in a surface-coated cutting tool according to an embodiment of the present invention. It is an example of the schematic diagram of the longitudinal section of the coating layer in the surface coated cutting tool based on other embodiment of this invention.
- the present inventor conducted extensive research on the coating layer in order to obtain a cutting tool that has excellent wear resistance even when used in high-speed cutting of stainless steel and the like while ensuring performance in cutting of steel and cast iron. As a result, the following findings (1) to (3) were obtained.
- the inventors of the present invention found a layer in which AlTiN layers with two types of Al content, each having an average thickness of 0.5 to 4.0 nm, were laminated alternately, and an AlTiN layer containing Si on top of the layer. That is, it has been found that the above object can be achieved by providing an AlTiSiN layer.
- the lower layer is a lower layer A1 on the substrate side and a lower layer A2 above it
- the lower layer A1 is a layer obtained by alternately laminating AlTiN layers having two types of Al contents with the above-mentioned average thickness
- the lower layer A2 is a layer in which AlTiN layers having an average thickness of 1.5 to 8.0 nm and having two types of Al contents are laminated alternately, and the Al contents of the two types of AlTiN layers of the lower layer A1 are different from that of the lower layer A1. It has also been found that the above objective can be achieved more reliably when the Al content is greater than that of the two types of AlTiN layers of A2.
- Coating Layer An example of the layer structure of the coating layer of the coated tool according to the first embodiment of the present invention is as schematically shown in FIG. A(3), and an upper layer B(4) on top of the lower layer A(3).
- the lower layer A (3) is a stack of thin layers each having an average thickness of 0.5 to 4.0 nm, that is, an alternating stack of A1 ⁇ layers (7) and A1 ⁇ layers (8). is preferred.
- the A1 ⁇ layer (7) and the A1 ⁇ layer (8) are also alternately laminated on the white portion of the lower layer A (3).
- the coating layer may include other layers described below.
- the sum of the average thickness of the lower layer A and the average thickness of the upper layer B is 0.4 ⁇ m or more and 9.0 ⁇ m. It is preferable that it is below. The reason for this is that if it is less than 0.4 ⁇ m, it will not be possible to exhibit excellent wear resistance over long-term use, while if it exceeds 9.0 ⁇ m, the crystal grains will tend to become coarser and the chipping resistance will deteriorate. This is because no improvements will be made.
- This average thickness is more preferably 0.8 ⁇ m or more and 6.0 ⁇ m or less.
- the average thickness At of the lower layer A is 0.3 ⁇ m or more and 6.0 ⁇ m or less, and the average thickness Bt of the upper layer B is 0.1 ⁇ m or more, 3 It is preferable that it is .0 ⁇ m or less and that 2.0 ⁇ At/Bt ⁇ 5.0.
- the reason for this is that when the average thickness At of the lower layer A and the average thickness Bt of the upper layer B are within this range, oxidation damage to the coating layer during cutting can be suppressed, and TiAlN in the lower layer A becomes TiN and AlN. This is because wear resistance can be improved by disassembling.
- the average thickness At of the lower layer A is 0.6 ⁇ m or more and 4.0 ⁇ m or less
- the average thickness Bt of the upper layer B is 0.2 ⁇ m or more and 2.0 ⁇ m or less. Further, it is more preferable that 2.3 ⁇ At/Bt ⁇ 3.5.
- the average thickness Bt of the upper layer B thinner than the average thickness At of the lower layer A, decomposition of AlTiN (AlTiN decomposes into TiN and AlN) during cutting of the lower layer A can be avoided.
- the hardness increases and the wear resistance of the coating layer improves.
- the lower layer A is an alternate stack of A1 ⁇ layers and A1 ⁇ layers.
- the average thicknesses ⁇ t and ⁇ t of the A1 ⁇ layer and the A1 ⁇ layer have the following relationship: 0.5nm ⁇ t ⁇ 4.0nm, 0.5nm ⁇ t ⁇ 4.0nm, 0.7 ⁇ t/ ⁇ t ⁇ 1.3 It is preferable to satisfy the following. Further, it is more preferable to satisfy 0.8 nm ⁇ t ⁇ 3.5 nm, 0.8 nm ⁇ t ⁇ 3.5 nm, and 0.8 ⁇ t/ ⁇ t ⁇ 1.2. The reason is that the above objective can be achieved if these average thickness relationships are satisfied.
- the A1 ⁇ layer and the A1 ⁇ layer may be alternately laminated, and the layers on the base side and the tool surface side may be either one.
- composition of A1 ⁇ layer and A2 ⁇ layer is as follows.
- the A1 ⁇ layer is Al x Ti 1-x N (x avg , which is the average value of x, is 0.35 ⁇ x avg ⁇ 0.55)
- the A1 ⁇ layer is Al y Ti 1-y N (average value of y avg is 0.60 ⁇ y avg ⁇ 0.80), It is preferable to satisfy 1.2 ⁇ y avg /x avg .
- the wear resistance is improved.
- AlTiN decomposes into TiN and AlN during cutting.
- AlTiN constituting the lower layer is manufactured so that the ratio of (AlTi) to N is 1:1 according to an example of the manufacturing method described below, but unavoidably (unintentionally) ) There may be cases where the ratio is not 1:1. This also applies to other nitrides described below.
- Upper layer B is composed of Al a Ti 1-ab Si b N (a avg which is the average value of a and b avg which is the average value of b are 0, respectively) .35 ⁇ a avg ⁇ 0.60, 0.00 ⁇ b avg ⁇ 0.15). If the composition of the upper layer B is within the above range, the oxidation resistance and abrasion resistance can be improved, but if it is outside this range, the oxidation resistance and abrasion resistance will decrease. The reason for this is presumed to be that an AlN phase with a hexagonal crystal structure is precipitated.
- Layers that may be intentionally formed include the outermost layer and underlayer described below.
- An outermost layer may be selectively provided on top layer B.
- a TiN layer (the atomic ratio of Ti and N in the TiN layer is not limited to a stoichiometric one) may be provided.
- this TiN layer since the TiN layer itself has a golden yellow tone, it can be used as an identification layer to distinguish whether a coated tool is unused or used, for example, by the change in color tone. can do.
- the average layer thickness of the TiN layer serving as the identification layer may be, for example, 0.1 to 1.0 ⁇ m.
- Base layer A base layer may be selectively provided between the lower layer A and the substrate.
- the underlayer include a Ti compound layer such as a TiC layer, a TiN layer, a TiCN layer, a TiCNO layer, and an AlTiN layer, and the average thickness thereof can be exemplified as 0.1 to 2.0 ⁇ m. When the average thickness is within this range, the adhesion between the lower layer A and the substrate may be further improved.
- the underlying layer, the lower layer A (A1 ⁇ layer and A1 ⁇ layer), the upper layer B, and the layers other than the outermost layer are formed so that they are not present, that is, these layers are in contact with each other.
- changes in pressure or temperature within the deposition apparatus may occur unintentionally, resulting in the formation of an unintended layer different from these layers.
- the substrate used in this embodiment may be any conventionally known substrate material as long as it does not impede achieving the above-mentioned objective.
- WC-based cemented carbide (contains Co in addition to WC, and also includes carbides or carbonitrides such as Ti, Ta, Nb, etc.), cermets (TiC, TiN, TiCN), It is preferable to use one of ceramics (titanium carbide, silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride, aluminum oxide), cBN sintered body, or diamond sintered body.
- Shape There are no particular restrictions on the shape of the base as long as it can be used as a cutting tool, and examples include the shape of an insert and the shape of a drill.
- Second Embodiment A second embodiment will be described. Descriptions that overlap with the description of the first embodiment will be omitted.
- Coating Layer An example of the layer structure of the coating layer of the coated tool according to the second embodiment is as schematically shown in FIG. ), and has an upper layer B (4) on top of this lower layer A (3).
- the lower layer A(3) the lower layer A1(5) and the lower layer A2(6) are laminated.
- the lower layer A1 (5) is the same as in the first embodiment, and the lower layer A2 (6) is an alternating stack of thin layers with an average thickness of 1.5 to 8.0 nm, respectively; That is, it is preferable that the lower layer A1 (5) is an alternate stack of an A1 ⁇ layer (7) and an A1 ⁇ layer (8), and the lower layer A2 (6) is an alternate stack of an A2 ⁇ layer (9) and an A2 ⁇ layer (10). .
- the white parts of the lower layer A1 (5) and the lower layer A2 (6) also have A1 ⁇ layer (7), A1 ⁇ layer (8), A2 ⁇ layer (9), and A2 ⁇ layer (10), respectively. ) are stacked alternately.
- the coating layer may include other layers described below in addition to these layers.
- the average thickness of the lower layer A and the upper layer B has the same thickness range as in the first embodiment. preferred (the more preferred thickness range is also the same).
- the lower layer A is a lower layer A1 and a lower layer A2.
- the average thickness A1t of the lower layer A1 and the average thickness A2t of the lower layer A2 are 0.1 ⁇ m ⁇ A1t ⁇ 4.5 ⁇ m, 0.2 ⁇ m ⁇ A2t ⁇ 4.0 ⁇ m, and 0.5 ⁇ A1t/A2t ⁇ Preferably it is 3.0. When this relationship is satisfied, the aforementioned objective is achieved. Below, the lower layer A1 and the lower layer A2 will be explained in detail.
- the lower layer A1 is the same as the lower layer A of the first embodiment, which is an alternate stack of A1 ⁇ layers and A2 ⁇ layers, and has the average thickness and the relational expression of the average thickness described in the description of the first embodiment, and preferably satisfies the relationship between composition and composition.
- the lower layer A2 is an alternate stack of A2 ⁇ layers and A2 ⁇ layers.
- the average thicknesses of the A2 ⁇ layer and A2 ⁇ layer, ⁇ t and ⁇ t have the following relationship: 1.5nm ⁇ t ⁇ 8.0nm, 1.5nm ⁇ t ⁇ 8.0nm, 0.7 ⁇ t/ ⁇ t ⁇ 1.3 and for the average thickness of each of the A1 ⁇ layer and A2 ⁇ layer constituting the lower layer A1, 1.0 ⁇ ( ⁇ t+ ⁇ t)/( ⁇ t+ ⁇ t) ⁇ 6.0 It is preferable to satisfy the following. The reason is that if this relational expression is satisfied, the above-mentioned objective is achieved. ( ⁇ t+ ⁇ t)/( ⁇ t+ ⁇ t) is more preferably 1.2 ⁇ ( ⁇ t+ ⁇ t)/( ⁇ t+ ⁇ t) ⁇ 3.0.
- composition of A2 ⁇ layer and A2 ⁇ layer The composition of the A2 ⁇ layer is Al z Ti 1-z N (z avg , which is the average value of z, is 0.30 ⁇ z avg ⁇ 0.50), The composition of the A2 ⁇ layer is Al w Ti 1-w N (w avg , which is the average value of w, is 0.55 ⁇ w avg ⁇ 0.75), It is preferable to satisfy 1.2 ⁇ w avg /z avg .
- compositions of the A1 ⁇ layer and A2 ⁇ layer and the compositions of the A2 ⁇ layer and A2 ⁇ layer are as follows: 0.02 ⁇ (x avg -z avg ) ⁇ 0.30, 0.02 ⁇ (y avg -w avg ) ⁇ 0.30 It is preferable to satisfy the following.
- Average thickness and number of laminated layers of A1 ⁇ layer, A1 ⁇ layer, A2 ⁇ layer, and A2 ⁇ layer The average thickness of A1 ⁇ layer and A1 ⁇ layer that constitute lower layer A1 and lower layer A2, respectively, is 0.5 to 4.0 nm. , the average thickness of the A2 ⁇ layer and the A2 ⁇ layer is preferably 1.5 to 8.0 nm.
- the number p of laminated A1 ⁇ layers and the number q of laminated A1 ⁇ layers in the lower layer A1, the number r of laminated A2 ⁇ layers and the number s of laminated A2 ⁇ layers in the lower layer A2 are
- the A1 ⁇ layer and the A1 ⁇ layer, and the A2 ⁇ layer and the A2 ⁇ layer may be alternately laminated, respectively, and the layers on the base side and the tool surface side may be either one.
- lower layer A (A1 ⁇ layer and A1 ⁇ layer) is replaced by lower layer A1 (A1 ⁇ layer and A1 ⁇ layer), lower layer A2 ( A2 ⁇ layer and A2 ⁇ layer).
- Base The material and shape of the base may be the same as in the first embodiment.
- Measurement method 1 Average composition and average thickness of lower layer A, upper layer B, and other layers Average thickness of lower layer A, lower layer A1, lower layer A2, upper layer B, and other layers constituting the coating layer
- SEM scanning electron microscopes
- TEM transmission electron microscopes
- EDS Longitudinal section using Spectrometer
- Each layer can be determined by observing the surface (in the case of inserts, the microscopic irregularities on the base surface are ignored and treated as a flat surface, the cross section perpendicular to this surface; in the case of a shaft tool such as a drill, the cross section perpendicular to the axis). It is possible to determine the average thickness by distinguishing between them.
- the average content ratio of each component in each layer was determined by analyzing five TEM-EDS lines in the thickness direction.
- the surface of the substrate is determined by observing this longitudinal section, determining the interface between the substrate and the lower layer A (or lower layer A1) by elemental mapping, and using the average straight line for the roughness curve of the interface thus obtained. is calculated arithmetically and this is taken as the surface of the substrate.
- a line scan of a length including at least 10 layers, preferably 50 or more layers of these layers is performed in the thickness direction of the coating layer, and the adjacent Ti
- the average value of the maximum value and the minimum value of the intensity of the EDS spectrum is calculated.
- the position on the line segment where the line scan was performed to give the average value of the calculated maximum and minimum values of adjacent intensities is determined.
- the distance between the positions that include one local maximum value and give the adjacent average value, and the distance between the positions that include one local minimum value and give the adjacent average value become the thickness of each layer, and these are averaged to calculate the average thickness.
- the coating layer of the coated tool of the first and second embodiments can be manufactured using, for example, an AIP device (arc ion plating device). Further, as the target, an AiTi target with a composition corresponding to the composition of the lower layer A, the lower layer A1, and the lower layer A2, respectively, and an AlTiSi target with a composition corresponding to the composition of the upper layer B as a target for forming the upper layer B.
- a film can be formed by using each target.
- a surface-coated cutting tool having a base body and a coating layer provided on the base body,
- the covering layer has a lower layer A and an upper layer B on the lower layer A,
- the average thickness At of the lower layer A is 0.3 ⁇ m or more and 6.0 ⁇ m or less
- the average thickness Bt of the upper layer B is 0.1 ⁇ m or more and 3.0 ⁇ m or less, and 2.0 ⁇ At.
- the lower layer A has an alternating stack of A1 ⁇ layers with an average thickness ⁇ t and A1 ⁇ layers with an average thickness ⁇ t, 0.5nm ⁇ t ⁇ 4.0nm, 0.5nm ⁇ t ⁇ 4.0nm, 0.7 ⁇ t/ ⁇ t ⁇ 1.3
- the composition of the A1 ⁇ layer is Al x Ti 1-x N (x avg , which is the average value of x, is 0.35 ⁇ x avg ⁇ 0.55)
- the composition of the A1 ⁇ layer is Al y Ti 1-y N (the average value of y avg is 0.60 ⁇ y avg ⁇ 0.80), 1.2 ⁇ y avg /x avg
- the composition of the upper layer B is Al a Ti 1-ab Si b N (the average value of a avg and the average value of b avg are respectively 0.35 ⁇ a avg ⁇ 0.60, 0.00 ⁇ b avg ⁇ 0.15).
- the lower layer A is a lower layer A1 on the side of the base body and a lower layer A2 on the side of the upper layer B,
- the average thickness A1t of the lower layer A1 and the average thickness A2t of the lower layer A2 are 0.1 ⁇ m ⁇ A1t ⁇ 4.5 ⁇ m, 0.2 ⁇ m ⁇ A2t ⁇ 4.0 ⁇ m, and 0.5 ⁇ A1t/A2t ⁇ 3.
- the lower layer A1 is the alternating stack of the A1 ⁇ layer and the A1 ⁇ layer
- the lower layer A2 is an alternate stack of A2 ⁇ layers with an average thickness of ⁇ t and A2 ⁇ layers with an average thickness of ⁇ t, 1.5nm ⁇ t ⁇ 8.0nm, 1.5nm ⁇ t ⁇ 8.0nm, 0.7 ⁇ t/ ⁇ t ⁇ 1.3, 1.0 ⁇ ( ⁇ t+ ⁇ t)/( ⁇ t+ ⁇ t) ⁇ 6.0
- the composition of the A2 ⁇ layer is Al z Ti 1-z N (the average value of z avg is 0.30 ⁇ z avg ⁇ 0.50)
- the composition of the A2 ⁇ layer is Al w Ti 1-w N (w avg , which is the average value of w, is 0.55 ⁇ w avg ⁇ 0.75), 1.2 ⁇ w avg /z avg ,
- the coated tool of the present invention an insert-shaped coated tool whose base body is made of WC-based cemented carbide will be described, but the base body may be made of any of the above-mentioned materials. The same applies even if the shape is a drill, an end mill, etc.
- Co powder, TiC powder, VC powder, TaC powder, NbC powder, Cr3C2 powder, and WC powder were prepared as raw material powders, and these raw material powders were blended in the proportions shown in Table 1.
- Wax was added, wet-mixed for 72 hours in a ball mill, dried under reduced pressure, and then press-molded at a pressure of 100 MPa.
- These compacted compacts were sintered by holding them at 1400°C for 1 hour in a vacuum atmosphere of 6 Pa, and processed to the specified dimensions to produce a WC-based cemented carbide having an insert shape of ANSI standard SEEN42AFTN1.
- Substrates 1 to 3 were prepared.
- substrates 1 to 3 were ultrasonically cleaned in acetone and dried. Then, in order to form a coating layer using an AIP device, the substrates 1 to 3 were mounted along the outer periphery at a predetermined distance in the radial direction from the central axis on a rotary table in the device. Further, a target of a predetermined composition was placed as a cathode electrode (evaporation source).
- the inside of the AIP device was evacuated and maintained at a vacuum of 0.1 Pa or less, the inside of the device was heated to 600°C with a heater, and then a DC bias voltage of -1000V was applied to the substrate rotating on the rotary table. A current of 100 A was passed between the cathode electrode and the anode electrode to bombard the surface of the substrate.
- the reactant gas in the AIP apparatus was a nitrogen atmosphere with a partial pressure of 2.6 to 7.5 Pa as shown in Table 2, and the temperature inside the furnace was maintained as shown in Table 2. Then, a DC voltage of -40 to -125V shown in Table 2 is applied to the substrate rotating on the rotary table, and a voltage between the AlTi alloy electrode for forming the lower layer A (A1 ⁇ layer, A1 ⁇ layer) and the anode electrode is applied. A current of 125 to 210 A was applied to generate an arc discharge to form an A1 ⁇ layer and an A1 ⁇ layer of a predetermined thickness.
- a DC voltage of -40 to -120V shown in Table 2 was applied to the substrate in a nitrogen atmosphere with a partial pressure of 0.4 to 0.6 Pa shown in Table 2, and the AiTiSi alloy for forming the upper layer B was formed.
- a current of 120 to 220 A was passed between the anode electrode to generate arc discharge to form the upper layer B of a predetermined thickness, and coated tools of Examples 1 to 9 (hereinafter referred to as Examples) were obtained. .
- the reactant gas in the AIP apparatus was a nitrogen atmosphere with a partial pressure of 1.0 to 8.2 Pa as shown in Table 4, and the furnace temperature was maintained as shown in Table 4. Then, a DC voltage of -30 to -120V shown in Table 2 is applied to the substrate rotating on the rotary table, and a voltage between the AlTi alloy electrode for forming the lower layer A1 (A1 ⁇ layer, A1 ⁇ layer) and the anode electrode is applied. A current of 100 to 230 A was applied to generate an arc discharge to form an A1 ⁇ layer and an A1 ⁇ layer of a predetermined thickness.
- a DC voltage of -60 to -135 V was applied to form an AlTi alloy electrode for forming the lower layer A2 (A2 ⁇ layer, A2 ⁇ layer).
- a current of 115 to 250 A was passed between the electrode and the anode electrode to generate an arc discharge to form an A2 ⁇ layer and an A2 ⁇ layer of a predetermined thickness.
- a nitrogen atmosphere with a partial pressure of 0.5 to 9.0 Pa is used as a reaction gas in the AIP apparatus, and the furnace temperature is set to 300 Pa. The temperature was maintained at ⁇ 600°C. Then, a DC voltage of -20 to -500 V is applied to the substrate rotating on the rotary table, and a current of 50 to 250 A is passed between the Ti electrode for forming the outermost layer and the anode electrode to generate an arc discharge. In this way, a TiN layer, which is the outermost layer, having a predetermined thickness was formed (the conditions for forming the outermost layer are shown in Table 6). These examples are shown in Tables 7 and 8.
- a comparative example corresponding to the first embodiment was prepared under the conditions shown in Table 3.
- coating layers were formed by vapor deposition under the conditions shown in Table 5, and coated tools 1 to 9 and 11 to 19 of comparative examples shown in Tables 7 and 8 (hereinafter referred to as "comparative examples") were produced.
- a TiN layer as the outermost layer was formed as in the example.
- the average thickness of the coating layer and the average composition of the coating layer are based on the longitudinal section of the coating layer perpendicular to the surface of the substrate of Examples 1 to 9, 11 to 19 and Comparative Examples 1 to 9, 11 to 19 prepared above. , a scanning electron microscope (SEM), a transmission electron microscope (TEM), an energy dispersive type It was determined by cross-sectional observation using an X-ray spectrometer (EDS).
- SEM scanning electron microscope
- TEM transmission electron microscope
- EDS X-ray spectrometer
- the average thickness of the lower layer A and the upper layer B was calculated by enlarging the vertical cross section, which is the observed cross section, 5000 times, and determining the film thickness at 5 points.
- the average thickness of the lower layer A and the upper layer B was 1 ⁇ m or less, the observed longitudinal section was magnified 10,000 times, and the film thicknesses at 5 points were determined to calculate the average thickness.
- the average thickness of each layer constituting the alternate lamination and the average content of each component in each layer were measured by the method described above.
- Cutting test 1 Cutting conditions: Work material: Block material of width 60mm x length 200mm (made of SUS304) Cutting speed: 160 m/min. Cut: 1.5 mm Feed: 0.10 mm/tooth. Cutting was carried out to a cutting length of 2.0 m, the flank wear width was measured, and the state of wear on the cutting edge was observed. The flank wear width includes the wear width due to oxidation damage and boundary damage, so it can be evaluated whether oxidation damage and boundary damage were suppressed. Tables 9 and 10 show the results of the cutting tests.
- Cutting test 2 Cutting conditions: Work material: Block material of width 60mm x length 200mm (made of FC ⁇ 450) Cutting speed: 180 m/min. Cut: 1.2 mm Feed: 0.10 mm/tooth. Cutting was carried out to a cutting length of 10.0 m, the flank wear width was measured, and the state of wear on the cutting edge was observed. The results of the cutting test are shown in Tables 11 and 12.
- Cutting test 3 Cutting conditions: Work material: Block material of width 60mm x length 200mm (made of SNCM435) Cutting speed: 200 m/min. Cut: 1.2 mm Feed: 0.10 mm/tooth. Cutting was carried out to a cutting length of 10.0 m, the flank wear width was measured, and the state of wear on the cutting edge was observed. The results of the cutting test are shown in Tables 13 and 14.
- Examples 1 to 9 and 11 to 19 did not cause any abnormal damage such as chipping or peeling, and were excellent in both wear resistance and chipping resistance. I understand that. On the other hand, it is clear that in Comparative Examples 1 to 9 and 11 to 19, the life span was reached in a short period of time due to occurrence of chipping or progression of flank wear.
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Abstract
下部層Aの平均厚さAtは0.3~6.0μm、上部層Bの平均厚さBtは0.1~3.0μmであって、2.0≦At/Bt≦5.0であり、 下部層Aは平均厚さαtのA1α層と平均厚さβtのA1β層の交互積層で、 0.5nm≦αt≦4.0nm、0.5nm≦βt≦4.0nm、0.7≦βt/αt≦1.3であり、 A1α層の組成は、AlxTi1-xN(xの平均値のxavgが、0.35≦xavg≦0.55)、 A1β層の組成は、AlyTi1-yN(yの平均値のyavgが0.60≦yavg≦0.80)であって、 1.2≦yavg/xavgであり、 上部層Bの組成はAlaTi1-a-bSibN(aの平均値のaavg、bの平均値のbavgが、0.35≦aavg≦0.60、0.00<bavg≦0.15)である被覆工具
Description
本発明は、表面被覆切削工具(以下、被覆工具ということがある)に関する。本出願は、2022年3月22日に出願した日本特許出願である特願2022-45633号に基づく優先権を主張する。当該日本特許出願に記載された全ての記載内容は、参照によって本明細書に援用される。
従来から、被覆工具としては、炭化タングステン(以下、WCで表す)基超硬合金等の基体に被覆層を形成したものが知られている。
そして、この被覆層の組成、層構造を調整することによって、切削性能がより一層向上した被覆工具を得る提案がなされている
そして、この被覆層の組成、層構造を調整することによって、切削性能がより一層向上した被覆工具を得る提案がなされている
例えば、特許文献1には、TixAl1-xNとTiyAl1-yN(0≦x<0.5、0.5<y≦1)の2種の層を、交互に繰り返して積層体とし、該積層体の全体組成を化学量論的にアルミニウムリッチとした被覆層を有する被覆工具が記載され、該被覆工具は優れた耐摩耗性、耐欠損性を有しているとされている。
また、例えば、特許文献2には、被覆層が交互層を含み、該交互層は、それぞれの厚さが2nm以上100nm以下であって、1層以上の第1層と第2層とを含み、前記第1層の組成は、TiaAlbSicN(0.25≦a≦0.45、0.55≦b≦0.75、0≦c≦0.1、a+b+c=1)であり、前記第2層の組成は、TidAleSifN(0.35≦d≦0.55、0.45≦e≦0.65、0≦f≦0.1、d+e+f=1)であって、0.05≦d-a≦0.2かつ0.05≦b-e≦0.2である被覆工具が記載され、該被覆工具は工具寿命が向上しているとされている。
さらに、例えば、特許文献3には、ナノビーム回折パターンがWCの結晶構造に指数付けされ、WとTiを含有する炭化物からなるa層と、前記a層の上に配置される相互積層とを有し、前記a層は、膜厚が1nm以上10nm以下であり、前記相互積層は、金属元素の総量に対し、Alの含有比率(原子%)が50%以上70%以下のAlとTiの窒化物または炭窒化物からなるb層と、前記金属元素の総量に対し、Alの含有比率(原子%)が70%以上のAlとTiの窒化物または炭窒化物からなるc層とが交互に形成されたものであり、前記b層と前記c層のAlの含有比率(原子%)の差が10%以上30%以下である被覆層を有する被覆工具が記載され、該被覆工具は、ステンレス鋼の切削においても優れた耐久性を有するとされている。
加えて、例えば、特許文献4には、被覆層の最外層が、金属成分のみの原子%でAlが60%以上80%以下、およびSiが5%以上10%以下で残りTiよりなる六方晶の窒化物または炭窒化物で構成された被膜である被覆工具が記載され、該被覆工具は耐久性を有するとされている。
本発明は、前記事情や前記提案を鑑みてなされたものであって、鋼や鋳鉄だけでなく、ステンレス鋼等の高速切削加工に供しても優れた耐摩耗性を有する切削工具を提供することを目的とする。
ここで、高速切削加工とは、通常の切削加工に比して、切削加工速度が30%以上速い切削加工をいう。
ここで、高速切削加工とは、通常の切削加工に比して、切削加工速度が30%以上速い切削加工をいう。
本発明の実施形態に係る表面被覆切削工具は、
基体と該基体に設けられた被覆層を有し、
前記被覆層は、下部層Aと該下部層A上の上部層Bを有し、
前記下部層Aの平均厚さAtは0.3μm以上、6.0μm以下であり、前記上部層Bの平均厚さBtは0.1μm以上、3.0μm以下であって、2.0≦At/Bt≦5.0であり、
前記下部層Aは、平均厚さαtのA1α層と平均厚さβtのA1β層の交互積層を有し、
0.5nm≦αt≦4.0nm、0.5nm≦βt≦4.0nm、0.7≦βt/αt≦1.3であり、
前記A1α層の組成は、AlxTi1-xN(xの平均値であるxavgが、0.35≦xavg≦0.55)、
前記A1β層の組成は、AlyTi1-yN(yの平均値であるyavgが、0.60≦yavg≦0.80)であって、
1.2≦yavg/xavgを満足し、
前記上部層Bの組成は、AlaTi1-a-bSibN(aの平均値であるaavg、bの平均値であるbavgが、ぞれぞれ、0.35≦aavg≦0.60、0.00<bavg≦0.15)である。
基体と該基体に設けられた被覆層を有し、
前記被覆層は、下部層Aと該下部層A上の上部層Bを有し、
前記下部層Aの平均厚さAtは0.3μm以上、6.0μm以下であり、前記上部層Bの平均厚さBtは0.1μm以上、3.0μm以下であって、2.0≦At/Bt≦5.0であり、
前記下部層Aは、平均厚さαtのA1α層と平均厚さβtのA1β層の交互積層を有し、
0.5nm≦αt≦4.0nm、0.5nm≦βt≦4.0nm、0.7≦βt/αt≦1.3であり、
前記A1α層の組成は、AlxTi1-xN(xの平均値であるxavgが、0.35≦xavg≦0.55)、
前記A1β層の組成は、AlyTi1-yN(yの平均値であるyavgが、0.60≦yavg≦0.80)であって、
1.2≦yavg/xavgを満足し、
前記上部層Bの組成は、AlaTi1-a-bSibN(aの平均値であるaavg、bの平均値であるbavgが、ぞれぞれ、0.35≦aavg≦0.60、0.00<bavg≦0.15)である。
前記実施形態に係る表面被覆切削工具は、次の事項を満足していてもよい。
前記下部層Aは前記基体の側の下部層A1と前記上部層Bの側の下部層A2であり、
前記下部層A1の平均厚さA1tと前記下部層A2の平均厚さA2tは、0.1μm≦A1t≦4.5μm、0.2μm≦A2t≦4.0μm、0.5≦A1t/A2t≦3.0であり、
前記下部層A1は、前記A1α層と前記A1β層の前記交互積層であり、
前記下部層A2は、平均厚さγtのA2γ層と平均厚さδtのA2δ層の交互積層であり、
1.5nm≦γt≦8.0nm、1.5nm≦δt≦8.0nm、0.7≦δt/γt≦1.3であって、
1.0<(γt+δt)/(αt+βt)≦6.0であり、
前記A2γ層の組成は、AlzTi1-zN(zの平均値であるzavgが、0.30≦zavg≦0.50)、
前記A2δ層の組成は、AlwTi1-wN(wの平均値であるwavgが、0.55≦wavg≦0.75)であって、
1.2≦wavg/zavgを満足し、
かつ、0.02≦(xavg-zavg)≦0.30、0.02≦(yavg-wavg)≦0.30であること。
前記下部層A1の平均厚さA1tと前記下部層A2の平均厚さA2tは、0.1μm≦A1t≦4.5μm、0.2μm≦A2t≦4.0μm、0.5≦A1t/A2t≦3.0であり、
前記下部層A1は、前記A1α層と前記A1β層の前記交互積層であり、
前記下部層A2は、平均厚さγtのA2γ層と平均厚さδtのA2δ層の交互積層であり、
1.5nm≦γt≦8.0nm、1.5nm≦δt≦8.0nm、0.7≦δt/γt≦1.3であって、
1.0<(γt+δt)/(αt+βt)≦6.0であり、
前記A2γ層の組成は、AlzTi1-zN(zの平均値であるzavgが、0.30≦zavg≦0.50)、
前記A2δ層の組成は、AlwTi1-wN(wの平均値であるwavgが、0.55≦wavg≦0.75)であって、
1.2≦wavg/zavgを満足し、
かつ、0.02≦(xavg-zavg)≦0.30、0.02≦(yavg-wavg)≦0.30であること。
前記表面被覆切削工具は、鋼や鋳鉄だけでなくステンレス鋼の高速切削に供しても、優れた耐摩耗性を発揮する。
本発明者は、鋼や鋳鉄切削加工での性能を担保しつつステンレス鋼等の高速切削加工に供しても優れた耐摩耗性を有する切削工具を得るために被覆層について鋭意検討を行った。その結果、以下の(1)~(3)の知見を得た。
(1)被覆層として、それぞれ平均厚さが0.5~4.0nmのAl含有量の多いAlTiN層とAl含有量の少ないAlTiN層とを積層した層を用いると、切削加工中にAlTiNの分解(AlTiNがTiNとAlNに分解すると推定している)を生じることより硬さが上昇し、鋼や鋳鉄の切削に対して耐摩耗性が優れる被覆工具を得ることができる。しかし、この被覆層に酸化摩耗が生じる場合、十分にその性能を発揮できないときがある。すなわち、Al含有量の異なるAlTiN積層のみでは酸化損傷により耐摩耗性が低下することがある。
(2)そこで、このAlTiN積層の上部に、被覆層に前述の酸化摩耗を抑えるべくTiSiN層を設けることを検討した。しかし、このTiSiN層は耐酸化性が低いため、例えばステンレス鋼の切削加工において境界損傷による損傷が発達してしまう。さらに、TiSiN層はAlTiN層との格子定数差が大きく、両層の界面において整合性が悪い。
(3)一方、前記AlTiN積層に代えて、Siの含有量が異なるTiAlSiN積層としても、TiAlSiN積層ではTiAlSiNの分解(TiAlSiNがTiNとAlN、Si3N4に分解すると推定している)が生じ難く耐摩耗性の向上が小さいため耐摩耗性が低下する。
そこで、本発明者は更に検討をした結果、それぞれ平均厚さが0.5~4.0nmの2種のAl含有量であるAlTiN層を交互積層した層と、その上部にSiを含むAlTiN層、すなわち、AlTiSiN層を設けると、前記目的が達成できることを見出した。
また、下部層を基体側の下部層A1とその上側の下部層A2とし、下部層A1は前述の平均厚さの2種のAl含有量であるAlTiN層を交互積層した層とし、下部層A2は平均厚さが1.5~8.0nmのそれぞれ2種のAl含有量であるAlTiN層を交互積層した層とし、かつ、下部層A1の2種のAlTiN層のAl含有量は、下部層A2の2種のAlTiN層のAl含有量よりも多くすると、より確実に、前記目的が達成できることも見出した。
以下では、本発明の実施形態に係る被覆工具について、より詳細に説明する。なお、本明細書、特許請求の範囲の記載において、数値範囲を「L~M」を用いて表現する場合、「L以上、M以下」と同義であって、その範囲は上限値(M)および下限値(L)の数値を含むものである。また、上限値(M)のみに単位が記載されているとき、上限値(M)および下限値(L)は同じ単位である。
I.第1の実施形態
以下、第1の実施形態に係る被覆工具について説明する。
以下、第1の実施形態に係る被覆工具について説明する。
1.被覆層
本発明の第1の実施形態に係る被覆工具の被覆層の層構造はその一例を図1に模式的に示すとおりであり、被覆層(2)は、基体(1)上に下部層A(3)を有し、この下部層A(3)の上部に上部層B(4)を有している。図1おいて、下部層A(3)は、それぞれ0.5~4.0nmの平均厚さを有する薄い層の積層、すなわち、A1α層(7)とA1β層(8)交互積層であることが好ましい。なお、図1において、下部層A(3)の白地の部分にも、A1α層(7)とA1β層(8)が交互積層されている。
なお、被覆層はこれらの層に加えて、後述するその他の層を有していてもよい。
本発明の第1の実施形態に係る被覆工具の被覆層の層構造はその一例を図1に模式的に示すとおりであり、被覆層(2)は、基体(1)上に下部層A(3)を有し、この下部層A(3)の上部に上部層B(4)を有している。図1おいて、下部層A(3)は、それぞれ0.5~4.0nmの平均厚さを有する薄い層の積層、すなわち、A1α層(7)とA1β層(8)交互積層であることが好ましい。なお、図1において、下部層A(3)の白地の部分にも、A1α層(7)とA1β層(8)が交互積層されている。
なお、被覆層はこれらの層に加えて、後述するその他の層を有していてもよい。
(1)下部層Aの平均厚さと上部層Bの平均厚さの和
本実施形態における、下部層Aの平均厚さと上部層Bの平均厚さの和は、0.4μm以上、9.0μm以下であることが好ましい。その理由は、0.4μm未満であると、長期の使用にわたって優れた耐摩耗性を発揮することができず、一方、9.0μmを超えると、結晶粒が粗大化しやすくなり、耐チッピング性の向上が得られなくなるからである。この平均厚さは、0.8μm以上、6.0μm以下がより好ましい。
本実施形態における、下部層Aの平均厚さと上部層Bの平均厚さの和は、0.4μm以上、9.0μm以下であることが好ましい。その理由は、0.4μm未満であると、長期の使用にわたって優れた耐摩耗性を発揮することができず、一方、9.0μmを超えると、結晶粒が粗大化しやすくなり、耐チッピング性の向上が得られなくなるからである。この平均厚さは、0.8μm以上、6.0μm以下がより好ましい。
(2)下部層Aと上部層Bのそれぞれの平均厚さ
下部層Aの平均厚さAtは0.3μm以上、6.0μm以下、上部層Bの平均厚さBtは0.1μm以上、3.0μm以下であり、かつ、2.0≦At/Bt≦5.0であることが好ましい。その理由は、下部層Aの平均厚さAtと上部層Bの平均厚さBtがこの範囲にあると、切削時の被覆層の酸化損傷を抑制し、下部層AにおいてTiAlNがTiNとAlNに分解することによる耐摩耗性向上が可能となるためである。
下部層Aの平均厚さAtは0.6μm以上、4.0μm以下、上部層Bの平均厚さBtは0.2μm以上、2.0μm以下がより好ましい。また、2.3≦At/Bt≦3.5であることがより好ましい。
下部層Aの平均厚さAtは0.3μm以上、6.0μm以下、上部層Bの平均厚さBtは0.1μm以上、3.0μm以下であり、かつ、2.0≦At/Bt≦5.0であることが好ましい。その理由は、下部層Aの平均厚さAtと上部層Bの平均厚さBtがこの範囲にあると、切削時の被覆層の酸化損傷を抑制し、下部層AにおいてTiAlNがTiNとAlNに分解することによる耐摩耗性向上が可能となるためである。
下部層Aの平均厚さAtは0.6μm以上、4.0μm以下、上部層Bの平均厚さBtは0.2μm以上、2.0μm以下がより好ましい。また、2.3≦At/Bt≦3.5であることがより好ましい。
また、下部層Aの平均厚さAtよりも上部層Bの平均厚さBtを薄くすることにより、下部層Aが切削加工中にAlTiNの分解(AlTiNがTiNとAlNに分解する)を生じて硬さが上昇し、被覆層の耐摩耗性が向上する。
(3)下部層Aの構成
下部層Aは、A1α層とA1β層との交互積層である。そして、A1α層とA1β層のそれぞれの平均厚さであるαt、βtは、以下の関係、すなわち、
0.5nm≦αt≦4.0nm、0.5nm≦βt≦4.0nm、0.7≦βt/αt≦1.3
を満足することが好ましい。また、0.8nm≦αt≦3.5nm、0.8nm≦βt≦3.5nm、0.8≦βt/αt≦1.2を満足することがより好ましい。
その理由は、これらの平均厚さの関係を満足すると、前記目的が達成できるためである。
下部層Aは、A1α層とA1β層との交互積層である。そして、A1α層とA1β層のそれぞれの平均厚さであるαt、βtは、以下の関係、すなわち、
0.5nm≦αt≦4.0nm、0.5nm≦βt≦4.0nm、0.7≦βt/αt≦1.3
を満足することが好ましい。また、0.8nm≦αt≦3.5nm、0.8nm≦βt≦3.5nm、0.8≦βt/αt≦1.2を満足することがより好ましい。
その理由は、これらの平均厚さの関係を満足すると、前記目的が達成できるためである。
(3-1)A1α層、A1β層の積層数
A1α層の積層数をmとA1β層の積層数をnとすると、|m-n|≦1であり、m+nは特に制約はないが、50~2001が好ましい。その理由は、50未満では切削加工時に発生するクラック進展を十分に防止することができないために耐欠損性が低下することがあり、2001を超えると繰返し数が増えることより、下部層Aの結晶粒が微粒化し耐摩耗性が低下してしまうことがあるためである。m+nは、100~1001がより好ましい。
A1α層の積層数をmとA1β層の積層数をnとすると、|m-n|≦1であり、m+nは特に制約はないが、50~2001が好ましい。その理由は、50未満では切削加工時に発生するクラック進展を十分に防止することができないために耐欠損性が低下することがあり、2001を超えると繰返し数が増えることより、下部層Aの結晶粒が微粒化し耐摩耗性が低下してしまうことがあるためである。m+nは、100~1001がより好ましい。
また、A1α層とA1β層は、それぞれ、交互に積層されていればよく、基体側、工具表面側の層は、それぞれ、いずれであってもよい。
(3-2)A1α層とA2α層の組成
下部層を構成するA1α層とA2α層の組成は、
A1α層が、AlxTi1-xN(xの平均値であるxavgが、0.35≦xavg≦0.55)であり、
A1β層が、AlyTi1-yN(yの平均値であるyavgが0.60≦yavg≦0.80)であって、
1.2≦yavg/xavgを満足することが好ましい。
下部層を構成するA1α層とA2α層の組成は、
A1α層が、AlxTi1-xN(xの平均値であるxavgが、0.35≦xavg≦0.55)であり、
A1β層が、AlyTi1-yN(yの平均値であるyavgが0.60≦yavg≦0.80)であって、
1.2≦yavg/xavgを満足することが好ましい。
A1α層、A2α層の組成この範囲にあると、耐摩耗性が向上する。その理由は、切削加工中にAlTiNがTiNとAlNに分解するためと推定される。
なお、下部層を構成するAlTiNについて、後述する製造法の一例に従えば、(AlTi)とNとの比は、1:1となるように製造されるが、不可避的に(意図せずに)1:1とならないものが存在することがある。このことは、以下で述べる他の窒化物についても同様である。
(4)上部層Bの組成
上部層Bは、AlaTi1-a-bSibN(aの平均値であるaavg、bの平均値であるbavgが、ぞれぞれ、0.35≦aavg≦0.60、0.00<bavg≦0.15)であることが好ましい。
上部層Bの組成が前記範囲であれば、耐酸化性、耐摩耗性を向上させることができるが、この範囲外になると耐酸化性、耐摩耗性が低下してしまう。その理由は、六方晶構造のAlN相が析出するためと推定される。
上部層Bは、AlaTi1-a-bSibN(aの平均値であるaavg、bの平均値であるbavgが、ぞれぞれ、0.35≦aavg≦0.60、0.00<bavg≦0.15)であることが好ましい。
上部層Bの組成が前記範囲であれば、耐酸化性、耐摩耗性を向上させることができるが、この範囲外になると耐酸化性、耐摩耗性が低下してしまう。その理由は、六方晶構造のAlN相が析出するためと推定される。
(5)その他の層
(5-1)意図的に成膜してもよい層
意図的に成膜してもよい層として、以下に述べる最外層と下地層をあげることができる。
(5-1)意図的に成膜してもよい層
意図的に成膜してもよい層として、以下に述べる最外層と下地層をあげることができる。
(5-1-1)最外層
上部層Bの上に最外層を選択的に設けてもよい。
最外層としては、例えば、TiN層(TiN層のTiとNの原子比は化学量論的なものに限定されない)を設けてもよい。このTiN層を設けた場合には、TiN層自体が黄金色の色調を有することから、例えば、被覆工具が未使用であるか使用したものであるかを色調変化によって、判別する識別層として活用することができる。なお、この識別層としてのTiN層の平均層厚は、例えば、0.1~1.0μmでよい。
上部層Bの上に最外層を選択的に設けてもよい。
最外層としては、例えば、TiN層(TiN層のTiとNの原子比は化学量論的なものに限定されない)を設けてもよい。このTiN層を設けた場合には、TiN層自体が黄金色の色調を有することから、例えば、被覆工具が未使用であるか使用したものであるかを色調変化によって、判別する識別層として活用することができる。なお、この識別層としてのTiN層の平均層厚は、例えば、0.1~1.0μmでよい。
(5-1-2)下地層
下部層Aと基体との間に下地層を選択的に設けてもよい。
下地層としては、TiC層、TiN層、TiCN層、TiCNO層のTi化合物層およびAlTiN層が例示でき、その平均厚さは、0.1~2.0μmが例示できる。平均厚さがこの範囲にあると、下部層Aと基体との密着性がより一層向上する場合がある。
下部層Aと基体との間に下地層を選択的に設けてもよい。
下地層としては、TiC層、TiN層、TiCN層、TiCNO層のTi化合物層およびAlTiN層が例示でき、その平均厚さは、0.1~2.0μmが例示できる。平均厚さがこの範囲にあると、下部層Aと基体との密着性がより一層向上する場合がある。
(5-2)意図せずに成膜されてしまう層(不可避的に生じる可能性のある層)
本実施形態では、下地層、下部層A(A1α層とA1β層)、上部層B、および、最外層以外の層は存在しないように、すなわち、これらの層は接するように成膜される。しかし、成膜すべき層の種類を変更する際に、成膜装置内の圧力や温度の変化が意図せずに発生し、これらの層とは異なる意図しない層が形成されることがある。
本実施形態では、下地層、下部層A(A1α層とA1β層)、上部層B、および、最外層以外の層は存在しないように、すなわち、これらの層は接するように成膜される。しかし、成膜すべき層の種類を変更する際に、成膜装置内の圧力や温度の変化が意図せずに発生し、これらの層とは異なる意図しない層が形成されることがある。
3.基体
(1)材質
本実施形態に使用する基体は、従来公知の基体の材質であれば、前述の目的を達成することを阻害するものでない限り、いずれのものも使用可能である。一例をあげるならば、WC基超硬合金(WCの他、Coを含み、さらに、Ti、Ta、Nb等の炭化物または炭窒化物を添加したものも含むもの)、サーメット(TiC、TiN、TiCN等を主成分とするもの)、セラミックス(炭化チタン、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム)、cBN焼結体、またはダイヤモンド焼結体のいずれかであることが好ましい。
(1)材質
本実施形態に使用する基体は、従来公知の基体の材質であれば、前述の目的を達成することを阻害するものでない限り、いずれのものも使用可能である。一例をあげるならば、WC基超硬合金(WCの他、Coを含み、さらに、Ti、Ta、Nb等の炭化物または炭窒化物を添加したものも含むもの)、サーメット(TiC、TiN、TiCN等を主成分とするもの)、セラミックス(炭化チタン、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム)、cBN焼結体、またはダイヤモンド焼結体のいずれかであることが好ましい。
(2)形状
基体の形状は、切削工具として用いられる形状であれば特段の制約はなく、インサートの形状、ドリルの形状が例示できる。
基体の形状は、切削工具として用いられる形状であれば特段の制約はなく、インサートの形状、ドリルの形状が例示できる。
II.第2の実施形態
第2の実施形態について説明する。第1の実施形態の説明と重複する個所の記載は省略する。
第2の実施形態について説明する。第1の実施形態の説明と重複する個所の記載は省略する。
1.被覆層
第2の実施形態に係る被覆工具の被覆層の層構造はその一例を図2に模式的に示すとおりであり、被覆層(2)は、基体(1)上に下部層A(3)を有し、この下部層A(3)の上部に上部層B(4)を有している。下部層A(3)では、下部層A1(5)と下部層A2(6)が積層されている。図2おいて、下部層A1(5)は第1の実施形態と同じであり、下部層A2(6)はそれぞれ、1.5~8.0nmの平均厚さを有する薄い層の交互積層、すなわち、それぞれ、下部層A1(5)はA1α層(7)とA1β層(8)、下部層A2(6)はA2γ層(9)とA2δ層(10)との交互積層であることが好ましい。なお、図2において、下部層A1(5)および下部層A2(6)の白地の部分にも、それぞれ、A1α層(7)とA1β層(8)、A2γ層(9)とA2δ層(10)がそれぞれ交互積層されている。
なお、第1の実施形態と同様に被覆層はこれらの層に加えて、後述するその他の層を有していてもよい。
第2の実施形態に係る被覆工具の被覆層の層構造はその一例を図2に模式的に示すとおりであり、被覆層(2)は、基体(1)上に下部層A(3)を有し、この下部層A(3)の上部に上部層B(4)を有している。下部層A(3)では、下部層A1(5)と下部層A2(6)が積層されている。図2おいて、下部層A1(5)は第1の実施形態と同じであり、下部層A2(6)はそれぞれ、1.5~8.0nmの平均厚さを有する薄い層の交互積層、すなわち、それぞれ、下部層A1(5)はA1α層(7)とA1β層(8)、下部層A2(6)はA2γ層(9)とA2δ層(10)との交互積層であることが好ましい。なお、図2において、下部層A1(5)および下部層A2(6)の白地の部分にも、それぞれ、A1α層(7)とA1β層(8)、A2γ層(9)とA2δ層(10)がそれぞれ交互積層されている。
なお、第1の実施形態と同様に被覆層はこれらの層に加えて、後述するその他の層を有していてもよい。
(1)下部層Aの平均厚さと上部層Bの平均厚さの和
第2の実施形態においても、下部層Aの平均厚さと上部層Bの平均厚さの和は、第1の実施形態と同じ厚さ範囲が好ましい(より好ましい厚さ範囲も同じである)。
第2の実施形態においても、下部層Aの平均厚さと上部層Bの平均厚さの和は、第1の実施形態と同じ厚さ範囲が好ましい(より好ましい厚さ範囲も同じである)。
(2)下部層Aと上部層Bのそれそれの平均厚さ
第2の実施形態においても、下部層Aと上部層Bのそれぞれの平均厚さは第1の実施形態と同じ厚さ範囲が好ましい(より好ましい厚さ範囲も同じである)。
第2の実施形態においても、下部層Aと上部層Bのそれぞれの平均厚さは第1の実施形態と同じ厚さ範囲が好ましい(より好ましい厚さ範囲も同じである)。
(3)下部層Aの構成
第2の実施形態では、下部層Aは下部層A1と下部層A2である。下部層A1の平均厚さA1tと下部層A2の平均厚さA2tは、0.1μm≦A1t≦4.5μm、0.2μm≦A2t≦4.0μmであって、0.5≦A1t/A2t≦3.0であることが好ましい。この関係を満たすとき、前述の目的が達成される。
以下、下部層A1と下部層A2について詳細に説明する。
第2の実施形態では、下部層Aは下部層A1と下部層A2である。下部層A1の平均厚さA1tと下部層A2の平均厚さA2tは、0.1μm≦A1t≦4.5μm、0.2μm≦A2t≦4.0μmであって、0.5≦A1t/A2t≦3.0であることが好ましい。この関係を満たすとき、前述の目的が達成される。
以下、下部層A1と下部層A2について詳細に説明する。
(3-1)下部層A1
下部層A1は、第1の実施形態の下部層Aと同じA1α層とA2α層との交互積層であり、第1の実施形態の説明で述べた平均厚さ、平均厚さの関係式、さらには、組成、組成の関係式を満足することが好ましい。
下部層A1は、第1の実施形態の下部層Aと同じA1α層とA2α層との交互積層であり、第1の実施形態の説明で述べた平均厚さ、平均厚さの関係式、さらには、組成、組成の関係式を満足することが好ましい。
(3-2)下部層A2
下部層A2は、A2γ層とA2δ層との交互積層である。A2γ層とA2δ層のそれぞれの平均厚さであるγt、δtは、以下の関係、すなわち、
1.5nm≦γt≦8.0nm、1.5nm≦δt≦8.0nm、0.7≦δt/γt≦1.3
を満足し、かつ、下部層A1を構成するA1α層とA2α層のそれぞれの平均厚さに対して、
1.0<(γt+δt)/(αt+βt)≦6.0
を満足することが好ましい。
その理由は、この関係式を満足すると、前述の目的が達成されるためである。(γt+δt)/(αt+βt)は、1.2≦(γt+δt)/(αt+βt)≦3.0であることがより好ましい。
下部層A2は、A2γ層とA2δ層との交互積層である。A2γ層とA2δ層のそれぞれの平均厚さであるγt、δtは、以下の関係、すなわち、
1.5nm≦γt≦8.0nm、1.5nm≦δt≦8.0nm、0.7≦δt/γt≦1.3
を満足し、かつ、下部層A1を構成するA1α層とA2α層のそれぞれの平均厚さに対して、
1.0<(γt+δt)/(αt+βt)≦6.0
を満足することが好ましい。
その理由は、この関係式を満足すると、前述の目的が達成されるためである。(γt+δt)/(αt+βt)は、1.2≦(γt+δt)/(αt+βt)≦3.0であることがより好ましい。
(3-2)A2γ層とA2δ層の組成
A2γ層の組成は、AlzTi1-zN(zの平均値であるzavgが、0.30≦zavg≦0.50)であり、
前記A2δ層の組成は、AlwTi1-wN(wの平均値であるwavgが、0.55≦wavg≦0.75)であって、
1.2≦wavg/zavgを満足することが好ましい。
また、A1α層とA2α層の組成およびA2γ層とA2δ層の組成は、
0.02≦(xavg-zavg)≦0.30、0.02≦(yavg-wavg)≦0.30
を満足することが好ましい。
A2γ層の組成は、AlzTi1-zN(zの平均値であるzavgが、0.30≦zavg≦0.50)であり、
前記A2δ層の組成は、AlwTi1-wN(wの平均値であるwavgが、0.55≦wavg≦0.75)であって、
1.2≦wavg/zavgを満足することが好ましい。
また、A1α層とA2α層の組成およびA2γ層とA2δ層の組成は、
0.02≦(xavg-zavg)≦0.30、0.02≦(yavg-wavg)≦0.30
を満足することが好ましい。
A1α層、A2α層の組成、および、A2γ層、A2δ層の組成が、この範囲にあると、耐摩耗性が向上する。その理由は、これらの層の組成がこの範囲にあると、より高いAl含有量の下部層Aを形成することができ、切削加工中にAlTiNがTiNとAlNに分解すると推定されるが、この範囲を外れるときは、下部層Α1と下部層A2のAl含有量差が小さくなって、この分解が不十分となり下部層Α1によるひずみ低減が十分ではなく六方晶構造のAlN相が析出し、被覆層の耐摩耗性が低下してしまうためと推定される。
(4)A1α層、A1β層、A2γ層、および、A2δ層の平均厚さと積層数
下部層A1と下部層A2をそれぞれ構成するA1α層およびA1β層の平均厚さは0.5~4.0nm、A2γ層およびA2δ層の平均厚さは1.5~8.0nmが好ましい。下部層A1におけるA1α層の積層数pとA1β層の積層数q、下部層A2におけるA2γ層の積層数rとA2δ層の積層数sは、|p-q|≦1、|r-s|≦1であって、p+qおよびr+sは特に制約はないが、、p+qは50~901、r+sは20~551が好ましい。その理由は、p+qが50およびr+sが20未満では切削加工時に発生するクラック進展を十分に防止することができないために耐欠損性が低下することがあり、一方、p+qが901およびr+sが551を超えると繰返し数が増えることより、下部層Aの結晶粒が微粒化し耐摩耗性が低下してしまうことがあるためである。p+qは100~451、r+sは50~180がより好ましい。
下部層A1と下部層A2をそれぞれ構成するA1α層およびA1β層の平均厚さは0.5~4.0nm、A2γ層およびA2δ層の平均厚さは1.5~8.0nmが好ましい。下部層A1におけるA1α層の積層数pとA1β層の積層数q、下部層A2におけるA2γ層の積層数rとA2δ層の積層数sは、|p-q|≦1、|r-s|≦1であって、p+qおよびr+sは特に制約はないが、、p+qは50~901、r+sは20~551が好ましい。その理由は、p+qが50およびr+sが20未満では切削加工時に発生するクラック進展を十分に防止することができないために耐欠損性が低下することがあり、一方、p+qが901およびr+sが551を超えると繰返し数が増えることより、下部層Aの結晶粒が微粒化し耐摩耗性が低下してしまうことがあるためである。p+qは100~451、r+sは50~180がより好ましい。
また、A1α層とA1β層、A2γ層とA2δ層は、それぞれ、交互に積層されていればよく、基体側、工具表面側の層は、それぞれ、いずれであってもよい。
3.上部層
上部層については、第1の実施形態の説明と同じである。
上部層については、第1の実施形態の説明と同じである。
4.その他の層
最外層および下地層については、第1の実施形態の説明と同じである。
意図せずに成膜されてしまう層(不可避的に生じる可能性のある層)については、下部層A(A1α層とA1β層)を下部層A1(A1α層とA1β層)、下部層A2(A2γ層とA2δ層)と読み替えたものと同じである。
最外層および下地層については、第1の実施形態の説明と同じである。
意図せずに成膜されてしまう層(不可避的に生じる可能性のある層)については、下部層A(A1α層とA1β層)を下部層A1(A1α層とA1β層)、下部層A2(A2γ層とA2δ層)と読み替えたものと同じである。
5.基体
基体の材質、形状は、第1の実施形態と同じでよい。
基体の材質、形状は、第1の実施形態と同じでよい。
III.測定方法
1.下部層A、上部層B、および、その他の層の平均組成および平均厚さ
被覆層を構成する下部層A、下部層A1、下部層A2、上部層B、および、その他の層の平均厚さについては、走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)、透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope:TEM)に付属するエネルギー分散型X線分光器(Energy Dispersive X-ray Spectrometer:EDS)を用いた縦断面(インサートのとき、基体表面の微少な凹凸を無視し平坦な面として扱ったとき、この面に垂直な断面。ドリルのような軸物工具のときは軸に垂直な断面)の観察により各層を鑑別してその平均厚さを求めることができる。各層の各成分平均含有割合については、厚さ方向に5本 のTEM-EDS線分析を行って求めた。
1.下部層A、上部層B、および、その他の層の平均組成および平均厚さ
被覆層を構成する下部層A、下部層A1、下部層A2、上部層B、および、その他の層の平均厚さについては、走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)、透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope:TEM)に付属するエネルギー分散型X線分光器(Energy Dispersive X-ray Spectrometer:EDS)を用いた縦断面(インサートのとき、基体表面の微少な凹凸を無視し平坦な面として扱ったとき、この面に垂直な断面。ドリルのような軸物工具のときは軸に垂直な断面)の観察により各層を鑑別してその平均厚さを求めることができる。各層の各成分平均含有割合については、厚さ方向に5本 のTEM-EDS線分析を行って求めた。
ここで、基体の表面は、この縦断面を観察して、基体と下部層A(または下部層A1)との界面を、元素マッピングにより定め、こうして得られた界面の粗さ曲線について、平均直線を算術的に求め、これを基体の表面とする。
2.A1α層、A1β層、A2γ層、および、A2δ層の平均厚さ
被覆層の厚さ方向に、これら層が少なくとも10層、好ましくは50層以上含まれる長さのラインスキャンを行い、隣り合うTiのEDSスペクトルの強度の極大値と極小値の平均値をそれぞれ算出する。算出した隣り合う強度の極大値と極小値の平均値を与えるラインスキャンを行った線分上の位置を求める。そして、一つの極大値を含み隣り合う平均値を与える位置間の距離および一つの極小値を含み隣り合う平均値を与える位置間の距離が各層の厚みとなり、これを平均して平均厚さを得ることができる。
被覆層の厚さ方向に、これら層が少なくとも10層、好ましくは50層以上含まれる長さのラインスキャンを行い、隣り合うTiのEDSスペクトルの強度の極大値と極小値の平均値をそれぞれ算出する。算出した隣り合う強度の極大値と極小値の平均値を与えるラインスキャンを行った線分上の位置を求める。そして、一つの極大値を含み隣り合う平均値を与える位置間の距離および一つの極小値を含み隣り合う平均値を与える位置間の距離が各層の厚みとなり、これを平均して平均厚さを得ることができる。
IV.製造方法
第1および第2の実施形態の被覆工具の被覆層は、例えば、AIP装置(アークイオンプレーティング装置)を用いて製造することができる。また、そのターゲットとして、下部層A、下部層A1および下部層A2の組成にそれぞれ対応した組成のAiTiターゲットを、上部層Bの成膜用ターゲットとして、上部層Bの組成に対応した組成のAlTiSiターゲットを、それぞれ用いることにより成膜することができる。
第1および第2の実施形態の被覆工具の被覆層は、例えば、AIP装置(アークイオンプレーティング装置)を用いて製造することができる。また、そのターゲットとして、下部層A、下部層A1および下部層A2の組成にそれぞれ対応した組成のAiTiターゲットを、上部層Bの成膜用ターゲットとして、上部層Bの組成に対応した組成のAlTiSiターゲットを、それぞれ用いることにより成膜することができる。
以上の説明は、以下に付記する特徴を含む。
(付記1)
基体と該基体に設けられた被覆層を有する表面被覆切削工具であって、
前記被覆層は、下部層Aと該下部層A上の上部層Bを有し、
前記下部層Aの平均厚さAtは0.3μm以上、6.0μm以下であり、前記上部層Bの平均厚さBtは0.1μm以上、3.0μm以下であって、2.0≦At/Bt≦5.0であり、
前記下部層Aは、平均厚さαtのA1α層と平均厚さβtのA1β層の交互積層を有し、
0.5nm≦αt≦4.0nm、0.5nm≦βt≦4.0nm、0.7≦βt/αt≦1.3であり、
前記A1α層の組成は、AlxTi1-xN(xの平均値であるxavgが、0.35≦xavg≦0.55)、
前記A1β層の組成は、AlyTi1-yN(yの平均値であるyavgが、0.60≦yavg≦0.80)であって、
1.2≦yavg/xavgを満足し、
前記上部層Bの組成は、AlaTi1-a-bSibN(aの平均値であるaavg、bの平均値であるbavgが、ぞれぞれ、0.35≦aavg≦0.60、0.00<bavg≦0.15)である
ことを特徴とする表面被覆切削工具。
(付記2)
前記下部層Aは前記基体の側の下部層A1と前記上部層Bの側の下部層A2であり、
前記下部層A1の平均厚さA1tと前記下部層A2の平均厚さA2tは、0.1μm≦A1t≦4.5μm、0.2μm≦A2t≦4.0μm、0.5≦A1t/A2t≦3.0であり、
前記下部層A1は、前記A1α層と前記A1β層の前記交互積層であり、
前記下部層A2は、平均厚さγtのA2γ層と平均厚さδtのA2δ層の交互積層であり、
1.5nm≦γt≦8.0nm、1.5nm≦δt≦8.0nm、0.7≦δt/γt≦1.3であって、
1.0<(γt+δt)/(αt+βt)≦6.0であり、
前記A2γ層の組成は、AlzTi1-zN(zの平均値であるzavgが、0.30≦zavg≦0.50)、
前記A2δ層の組成は、AlwTi1-wN(wの平均値であるwavgが、0.55≦wavg≦0.75)であって、
1.2≦wavg/zavgを満足し、
かつ、0.02≦(xavg-zavg)≦0.30、0.02≦(yavg-wavg)≦0.30である
ことを特徴とする付記1に記載の表面被覆切削工具。
(付記3)
前記上部層Bの上に最外層を有することを特徴とする付記1または2記載の表面被覆切削工具。
(付記4)
前記下部層Aと前記基体との間に下地層を有することを特徴とする付記1~3のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
(付記1)
基体と該基体に設けられた被覆層を有する表面被覆切削工具であって、
前記被覆層は、下部層Aと該下部層A上の上部層Bを有し、
前記下部層Aの平均厚さAtは0.3μm以上、6.0μm以下であり、前記上部層Bの平均厚さBtは0.1μm以上、3.0μm以下であって、2.0≦At/Bt≦5.0であり、
前記下部層Aは、平均厚さαtのA1α層と平均厚さβtのA1β層の交互積層を有し、
0.5nm≦αt≦4.0nm、0.5nm≦βt≦4.0nm、0.7≦βt/αt≦1.3であり、
前記A1α層の組成は、AlxTi1-xN(xの平均値であるxavgが、0.35≦xavg≦0.55)、
前記A1β層の組成は、AlyTi1-yN(yの平均値であるyavgが、0.60≦yavg≦0.80)であって、
1.2≦yavg/xavgを満足し、
前記上部層Bの組成は、AlaTi1-a-bSibN(aの平均値であるaavg、bの平均値であるbavgが、ぞれぞれ、0.35≦aavg≦0.60、0.00<bavg≦0.15)である
ことを特徴とする表面被覆切削工具。
(付記2)
前記下部層Aは前記基体の側の下部層A1と前記上部層Bの側の下部層A2であり、
前記下部層A1の平均厚さA1tと前記下部層A2の平均厚さA2tは、0.1μm≦A1t≦4.5μm、0.2μm≦A2t≦4.0μm、0.5≦A1t/A2t≦3.0であり、
前記下部層A1は、前記A1α層と前記A1β層の前記交互積層であり、
前記下部層A2は、平均厚さγtのA2γ層と平均厚さδtのA2δ層の交互積層であり、
1.5nm≦γt≦8.0nm、1.5nm≦δt≦8.0nm、0.7≦δt/γt≦1.3であって、
1.0<(γt+δt)/(αt+βt)≦6.0であり、
前記A2γ層の組成は、AlzTi1-zN(zの平均値であるzavgが、0.30≦zavg≦0.50)、
前記A2δ層の組成は、AlwTi1-wN(wの平均値であるwavgが、0.55≦wavg≦0.75)であって、
1.2≦wavg/zavgを満足し、
かつ、0.02≦(xavg-zavg)≦0.30、0.02≦(yavg-wavg)≦0.30である
ことを特徴とする付記1に記載の表面被覆切削工具。
(付記3)
前記上部層Bの上に最外層を有することを特徴とする付記1または2記載の表面被覆切削工具。
(付記4)
前記下部層Aと前記基体との間に下地層を有することを特徴とする付記1~3のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
次に、実施例について説明する。
ここでは、本発明の被覆工具の実施例として、基体がWC基超硬合金であってインサート形状の被覆工具について述べるが、基体は前述の材質のものがいずれも使用でき、また、前述のとおり形状としてドリル、エンドミル等であっても同様である。
ここでは、本発明の被覆工具の実施例として、基体がWC基超硬合金であってインサート形状の被覆工具について述べるが、基体は前述の材質のものがいずれも使用でき、また、前述のとおり形状としてドリル、エンドミル等であっても同様である。
まず、原料粉末として、Co粉末、TiC粉末、VC粉末、TaC粉末、NbC粉末、Cr3C2粉末、WC粉末を用意し、これら原料粉末を、表1に示される配合割合に配合し、さらにワックスを加えてボールミルで72時間湿式混合し、減圧乾燥した後、100MPaの圧力でプレス成形した。これらの圧粉成形体を6Paの真空雰囲気下、1400℃で1時間保持して焼結し、所定寸法となるように加工して、ANSI規格・SEEN42AFTN1のインサート形状をもったWC基超硬合金製の基体1~3を作製した。
次に、基体1~3をアセトン中で超音波洗浄し乾燥させた。そして、AIP装置を用いて被覆層を形成すべく、該装置内の回転テーブル上の中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に外周部に沿って基体1~3を装着した。また、カソード電極(蒸発源)として所定組成のターゲットを配置した。
続いて、AIP装置内を排気して0.1Pa以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を600℃に加熱した後、回転テーブル上で自転する基体に-1000Vの直流バイアス電圧を印加し、カソード電極とアノード電極との間に100Aの電流を流して基体表面をボンバード処理した。
<第1の実施形態に対応する実施例>
AIP装置内に反応ガスとして、表2に示す分圧が2.6~7.5Paの窒素雰囲気とし、同じく表2に示す炉内温度に維持した。そして、前記回転テーブル上で自転する基体に、表2に示す-40~-125Vの直流電圧を印加し、下部層A(A1α層、A1β層)形成用のAlTi合金電極とアノード電極との間に125~210Aの電流を流してアーク放電を発生させて所定厚さのA1α層、A1β層を形成した。
AIP装置内に反応ガスとして、表2に示す分圧が2.6~7.5Paの窒素雰囲気とし、同じく表2に示す炉内温度に維持した。そして、前記回転テーブル上で自転する基体に、表2に示す-40~-125Vの直流電圧を印加し、下部層A(A1α層、A1β層)形成用のAlTi合金電極とアノード電極との間に125~210Aの電流を流してアーク放電を発生させて所定厚さのA1α層、A1β層を形成した。
そして、A1α層とA1β層の成膜をそれぞれ所定回数繰り返すことにより、所定の下部層Aの積層数とした。
次に、表2に示す分圧が0.4~0.6Paの窒素雰囲気で、基体に、表2に示す-40~-120Vの直流電圧を印加し、上部層B形成用のAiTiSi合金とアノード電極との間に120~220Aの電流を流してアーク放電を発生させて所定厚さの上部層Bを成膜し、実施例の被覆工具(以下、実施例という)1~9を得た。
<第2の実施形態に対応する実施例>
AIP装置内に反応ガスとして、表4に示す分圧が1.0~8.2Paの窒素雰囲気とし、同じく表4に示す炉内温度に維持した。そして、前記回転テーブル上で自転する基体に、表2に示す-30~-120Vの直流電圧を印加し、下部層A1(A1α層、A1β層)形成用のAlTi合金電極とアノード電極との間に100~230Aの電流を流してアーク放電を発生させて所定厚さのA1α層、A1β層を形成した。
AIP装置内に反応ガスとして、表4に示す分圧が1.0~8.2Paの窒素雰囲気とし、同じく表4に示す炉内温度に維持した。そして、前記回転テーブル上で自転する基体に、表2に示す-30~-120Vの直流電圧を印加し、下部層A1(A1α層、A1β層)形成用のAlTi合金電極とアノード電極との間に100~230Aの電流を流してアーク放電を発生させて所定厚さのA1α層、A1β層を形成した。
そして、A1α層とA1β層の成膜をそれぞれ所定回数繰り返すことにより、所定の下部層A1の積層数とした。
続いて、表4に示す分圧が3.2~7.5Paの窒素雰囲気で、-60~-135Vの直流電圧を印加し、下部層A2(A2γ層、A2δ層)形成用のAlTi合金電極とアノード電極との間に115~250Aの電流を流してアーク放電を発生させて所定厚さのA2γ層、A2δ層を形成した。
そして、A2γ層とA2δ層の成膜をそれぞれ所定回数繰り返すことにより、所定の下部層A2の積層数とした。
次に、表4に示す分圧が2.5~7.7Paの窒素雰囲気で、基体に、表2に示す-45~-180Vの直流電圧を印加し、上部層B形成用のAiTiSi合金とアノード電極との間に125~200Aの電流を流してアーク放電を発生させて所定厚さの上部層Bを成膜し、実施例11~19を得た。
さらに、第1の実施形態および第2の実施形態に対応するいくつかの実施例ではAIP装置内に反応ガスとして、分圧が0.5~9.0Paの窒素雰囲気とし、炉内温度を300~600℃に維持した。そして、前記回転テーブル上で自転する基体に、-20~-500Vの直流電圧を印加し、最外層形成用のTi電極とアノード電極との間に50~250Aの電流を流してアーク放電を発生させて所定厚さの最外層であるTiN層を成膜した(最外層の成膜条件は表6に示す)。これらの実施例を表7、8に示す。
一方、比較のため、前記基体1~3に対して、前記と同じ成膜装置を用いて、第1の実施形態に対応する比較例は表3に示す条件により、第2の実施形態に対応する比較例は表5に示す条件により被覆層を蒸着形成し、表7、8に示す比較例の被覆工具(以下、「比較例」という)1~9、11~19を作製した。
なお、第1の実施形態および第2の実施形態に対応するいくつかの比較例では、実施例と同様に最外層であるTiN層を成膜した。
なお、第1の実施形態および第2の実施形態に対応するいくつかの比較例では、実施例と同様に最外層であるTiN層を成膜した。
被覆層の平均厚さ、被覆層の平均組成は、前記で作製した実施例1~9、11~19および比較例1~9、11~19の基体の表面に垂直な被覆層の縦断面について、基体の表面に平行な方向の幅が10μmであり、被覆層の厚み領域が全て含まれるよう設定された視野について、走査型電子顕微鏡(SEM)、透過型電子顕微鏡(TEM)、エネルギー分散型X線分光器(EDS)を用いた断面観察により求めた。
具体的には、下部層Aと上部層Bの平均厚さは観察断面である縦断面を5000倍に拡大して、5点の膜厚を求めて平均厚さを算出した。また下部層Aと上部層Bの平均厚さが1μm以下の場合は観察断面である縦断面を10000倍拡大して、5点の膜厚を求めて平均厚さを算出した。また、交互積層を構成する各層の平均厚さ、各層の各成分平均含有量は、前述の方法により測定した。
表3において、「-」は該当するものがないことを示している。
表7において、「-」は該当するものがないことを示している。
表8において、「-」は該当するものがないことを示している。
次いで、実施例1~9、11~19および比較例1~9、11~19について、次の切削条件で切削試験1~3を行った。
切削試験1
切削条件:
被削材:幅60mm×長さ200mmのブロック材(SUS304製)
切削速度: 160 m/min.
切り込み: 1.5 mm
送り: 0.10 mm/tooth.
切削長2.0mまで切削し、逃げ面摩耗幅を測定し、刃先の損耗状態を観察した。逃げ面摩耗幅には酸化損傷、境界損傷による摩耗幅も含むため、酸化損傷、境界損傷が抑制されたかも評価できる
切削試験の結果を表9、10に示す。
切削条件:
被削材:幅60mm×長さ200mmのブロック材(SUS304製)
切削速度: 160 m/min.
切り込み: 1.5 mm
送り: 0.10 mm/tooth.
切削長2.0mまで切削し、逃げ面摩耗幅を測定し、刃先の損耗状態を観察した。逃げ面摩耗幅には酸化損傷、境界損傷による摩耗幅も含むため、酸化損傷、境界損傷が抑制されたかも評価できる
切削試験の結果を表9、10に示す。
切削試験2
切削条件:
被削材:幅60mm×長さ200mmのブロック材(FC■450製)
切削速度: 180 m/min.
切り込み: 1.2 mm
送り: 0.10 mm/tooth.
切削長10.0mまで切削し、逃げ面摩耗幅を測定し、刃先の損耗状態を観察した。
切削試験の結果を表11、12に示す。
切削条件:
被削材:幅60mm×長さ200mmのブロック材(FC■450製)
切削速度: 180 m/min.
切り込み: 1.2 mm
送り: 0.10 mm/tooth.
切削長10.0mまで切削し、逃げ面摩耗幅を測定し、刃先の損耗状態を観察した。
切削試験の結果を表11、12に示す。
切削試験3
切削条件:
被削材:幅60mm×長さ200mmのブロック材(SNCM435製)
切削速度: 200 m/min.
切り込み: 1.2 mm
送り: 0.10 mm/tooth.
切削長10.0mまで切削し、逃げ面摩耗幅を測定し、刃先の損耗状態を観察した。
切削試験の結果を表13、14に示す。
切削条件:
被削材:幅60mm×長さ200mmのブロック材(SNCM435製)
切削速度: 200 m/min.
切り込み: 1.2 mm
送り: 0.10 mm/tooth.
切削長10.0mまで切削し、逃げ面摩耗幅を測定し、刃先の損耗状態を観察した。
切削試験の結果を表13、14に示す。
表9において、「※」は、最大切削長に達する前に使用寿命に至ったため、使用寿命に至る時間(秒)を示している。
表9~14の結果によれば、実施例1~9、11~19は、いずれも、チッピング、剥離等の異常損傷の発生はなく、耐摩耗性、耐チッピング性のいずれにも優れていることがわかる。
これに対して、比較例1~9、11~19、チッピングの発生、あるいは、逃げ面摩耗の進行により、短時間で寿命に至っていることは明らかである。
これに対して、比較例1~9、11~19、チッピングの発生、あるいは、逃げ面摩耗の進行により、短時間で寿命に至っていることは明らかである。
前記開示した実施の形態はすべての点で例示にすぎず、制限的なものではない。本発明の範囲は前記した実施の形態ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 基体
2 被覆層
3 下部層A
4 上部層B
5 下部層A1
6 下部層A2
7 A1α層
8 A1β層
9 A2γ層
10 A2δ層
2 被覆層
3 下部層A
4 上部層B
5 下部層A1
6 下部層A2
7 A1α層
8 A1β層
9 A2γ層
10 A2δ層
Claims (2)
- 基体と該基体に設けられた被覆層を有する表面被覆切削工具であって、
前記被覆層は、下部層Aと該下部層A上の上部層Bを有し、
前記下部層Aの平均厚さAtは0.3μm以上、6.0μm以下であり、前記上部層Bの平均厚さBtは0.1μm以上、3.0μm以下であって、2.0≦At/Bt≦5.0であり、
前記下部層Aは、平均厚さαtのA1α層と平均厚さβtのA1β層の交互積層を有し、
0.5nm≦αt≦4.0nm、0.5nm≦βt≦4.0nm、0.7≦βt/αt≦1.3であり、
前記A1α層の組成は、AlxTi1-xN(xの平均値であるxavgが、0.35≦xavg≦0.55)、
前記A1β層の組成は、AlyTi1-yN(yの平均値であるyavgが、0.60≦yavg≦0.80)であって、
1.2≦yavg/xavgを満足し、
前記上部層Bの組成は、AlaTi1-a-bSibN(aの平均値であるaavg、bの平均値であるbavgが、ぞれぞれ、0.35≦aavg≦0.60、0.00<bavg≦0.15)である
ことを特徴とする表面被覆切削工具。 - 前記下部層Aは前記基体の側の下部層A1と前記上部層Bの側の下部層A2であり、
前記下部層A1の平均厚さA1tと前記下部層A2の平均厚さA2tは、0.1μm≦A1t≦4.5μm、0.2μm≦A2t≦4.0μm、0.5≦A1t/A2t≦3.0であり、
前記下部層A1は、前記A1α層と前記A1β層の前記交互積層であり、
前記下部層A2は、平均厚さγtのA2γ層と平均厚さδtのA2δ層の交互積層であり、
1.5nm≦γt≦8.0nm、1.5nm≦δt≦8.0nm、0.7≦δt/γt≦1.3であって、
1.0<(γt+δt)/(αt+βt)≦6.0であり、
前記A2γ層の組成は、AlzTi1-zN(zの平均値であるzavgが、0.30≦zavg≦0.50)、
前記A2δ層の組成は、AlwTi1-wN(wの平均値であるwavgが、0.55≦wavg≦0.75)であって、
1.2≦wavg/zavgを満足し、
かつ、0.02≦(xavg-zavg)≦0.30、0.02≦(yavg-wavg)≦0.30である
ことを特徴とする請求項1に記載の表面被覆切削工具。
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- 2023-03-16 WO PCT/JP2023/010248 patent/WO2023182126A1/ja unknown
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