JP2005262389A - Surface-coated cutting tool for processing titanium alloy - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ドリル、エンドミル、切削チップ、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどの切削工具に関し、特にその表面に耐摩耗性被膜を形成したチタン合金加工用に特に適する表面被覆切削工具に関する。 The present invention relates to a cutting tool such as a drill, an end mill, a cutting tip, a cutting edge replacement type tip for milling, a cutting edge replacement type tip for turning, a metal saw, a gear cutting tool, a reamer, a tap, and the like. The present invention relates to a surface-coated cutting tool particularly suitable for machining a formed titanium alloy.
昨今の切削加工では、高速、高精度、高能率加工への追求に加え、環境対策としてのゼロエミッション加工としてドライ加工も志向されている。加えて、工業技術の進歩にともない、航空機、宇宙開発、原子力発電などに使用される難削材や新素材を多く使用する産業の活動がますます活発化し、質的な多様化と量的な拡大が一層進むと見られ、これらの切削加工についても当然その対応が求められている。 In recent cutting, in addition to the pursuit of high-speed, high-precision and high-efficiency machining, dry machining is also aimed at as zero emission machining as an environmental measure. In addition, with the advancement of industrial technology, industrial activities that use a lot of difficult-to-cut materials and new materials used in aircraft, space development, nuclear power generation, etc. are becoming more and more active, qualitative diversification and quantitative It is expected that the expansion will be further advanced, and it is naturally required to cope with these cutting processes.
従来よりこのような課題に対して、種々の表面被覆切削工具が数多く提案され、また実用化されてきた。たとえば、耐摩耗性および表面保護機能改善のため、WC基超硬合金、サーメット、高速度鋼等の切削工具や耐摩耗工具等の硬質基材の表面に、硬質被覆層として、(AlxTi1-x-ySiy)(NzC1-z)、ただし、0.05≦x≦0.75、0.01≦y≦0.1、0.6≦z≦1のようなAlTiSi系の膜が被覆されたものが知られている(特許文献1)。 In the past, various surface-coated cutting tools have been proposed and put to practical use for such problems. For example, in order to improve wear resistance and surface protection function, as a hard coating layer (Al x Ti) on the surface of a hard base material such as a cutting tool such as WC base cemented carbide, cermet, high speed steel or wear resistant tool 1-xy Si y ) (N z C 1-z ), except that Al ≦ Si ≦ 0.05 ≦ x ≦ 0.75, 0.01 ≦ y ≦ 0.1, 0.6 ≦ z ≦ 1 The thing with which the film | membrane was coat | covered is known (patent document 1).
また、Siを適量含有したTiを主成分とする窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物と、TiとAlを主成分とする窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物とを、前者の微細組織構造が、Tiを主成分とする窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物中に、Si3N4およびSiが独立相として存在するようにそれぞれ一層以上交互に被覆すると、乾式の高速切削加工において切削工具の性能が極めて良好になることが提案されている(特許文献2)。 In addition, a nitride, carbonitride, oxynitride, oxycarbonitride containing Ti as a main component containing an appropriate amount of Si, and a nitride, carbonitride, oxynitride, acid containing Ti and Al as main components Carbonitride is one layer each so that Si3N4 and Si exist as independent phases in nitride, carbonitride, oxynitride and oxycarbonitride in which the former microstructure is the main component of Ti. It has been proposed that the performance of the cutting tool is extremely good in the dry high-speed cutting when the coating is performed alternately (Patent Document 2).
この提案によれば、従来のTiAlN膜では切削加工において起こる表面酸化で形成されるアルミナ層は酸素の内向拡散に対し酸化保護膜として機能するものの、動的な切削加工においては、最表面のアルミナ層は、その直下のポーラスなTi酸化物層より容易に剥離してしまい酸化の進行に対して十分でないとされ、これに対して該提案のTiSi系被膜は膜自体の耐酸化性が極めて高いだけではなく、最表面にSiを含む非常に緻密なTiとSiの複合酸化物が形成されるので、従来問題となっていたポーラスなTi酸化物層が形成されず、以って性能が向上するとされている。 According to this proposal, in the conventional TiAlN film, the alumina layer formed by the surface oxidation that occurs in the cutting process functions as an oxidation protective film against the inward diffusion of oxygen. The layer easily peels off from the porous Ti oxide layer directly below it and is not sufficient for the progress of oxidation. On the other hand, the proposed TiSi-based film has extremely high oxidation resistance of the film itself. In addition, a very dense Ti and Si complex oxide containing Si is formed on the outermost surface, so that the porous Ti oxide layer, which has been a problem in the past, is not formed, thereby improving performance. It is said that.
一方、従来のTiAlN膜よりも高硬度であって耐摩耗性に優れた切削工具用硬質皮膜としてAl、Cr、Vを主要な構成元素とする切削工具用硬質皮膜が提案されている(特許文献3)。 On the other hand, hard coatings for cutting tools having Al, Cr, V as main constituent elements have been proposed as hard coatings for cutting tools having higher hardness and superior wear resistance than conventional TiAlN films (Patent Literature). 3).
しかし、難削材と言われる材料のなかでも特に重要な位置を占めるチタン合金の切削加工は、上記に開示されたような被膜を用いて行なわれる鋼加工と比べて、以下の(1)〜(3)に示す通り非常に困難であり、このような従来の鋼加工とは全く異質のものと考えられる。 However, cutting of a titanium alloy, which occupies a particularly important position among materials called difficult-to-cut materials, is compared with the following (1) to (1) to steel processing performed using a coating as disclosed above. It is very difficult as shown in (3), and is considered to be completely different from such conventional steel processing.
(1)チタン合金の熱伝導率は小さいため、切削熱が発熱部の切れ刃のエッジ部およびすくい面に集中して、局部的に切削温度が上昇する。 (1) Since the thermal conductivity of the titanium alloy is small, the cutting heat concentrates on the edge part and the rake face of the cutting edge of the heat generating part, and the cutting temperature rises locally.
(2)チタン合金は化学的に活性で、このため切削工具材料(特に結合相のCo)と反応して、化学的な拡散摩耗を促進させる。 (2) Titanium alloys are chemically active and thus react with the cutting tool material (especially Co in the binder phase) to promote chemical diffusion wear.
(3)チタン合金の切りくずは鋸刃状になり、切削抵抗が経時的に変化するので、切れ刃のチッピングや欠損が生じやすい。
本発明は、上記のような現状に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、表面被膜が耐摩耗性に優れることにより、難削材の中でもとりわけ重要な位置を占めるチタン合金の切削加工用に特化した表面被覆切削工具を提供することにある。 The present invention has been made in view of the current situation as described above, and the object of the present invention is that of a titanium alloy that occupies an especially important position among difficult-to-cut materials because the surface coating is excellent in wear resistance. An object of the present invention is to provide a surface-coated cutting tool specialized for cutting.
本発明者らは、上記課題に対して基材上に形成される表面被膜について種々の検討を行なったところ、該被膜中にTiを含有させないことが、チタン合金の切削加工に重要であるとの知見を得、この知見に基づきさらに鋭意研究を行なった結果、ついに本発明を完成するに至った。 The inventors of the present invention have made various studies on the surface coating film formed on the substrate to solve the above problems, and it is important for the titanium alloy cutting process not to contain Ti in the coating film. As a result of further earnest research based on this knowledge, the present invention was finally completed.
すなわち、本発明は、基材表面に直接接するように被膜が形成されているチタン合金加工用表面被覆切削工具において、上記被膜が、Alと、CrまたはVのいずれか一方または両方の元素と、窒素、炭素または酸素のいずれか1以上の元素とにより構成される化合物からなることを特徴とするチタン合金加工用表面被覆切削工具に係るものである。 That is, the present invention provides a surface-coated cutting tool for processing a titanium alloy in which a coating is formed so as to be in direct contact with the surface of the base material, wherein the coating is composed of Al, one of or both of Cr and V, The present invention relates to a surface-coated cutting tool for machining a titanium alloy, comprising a compound composed of one or more elements of nitrogen, carbon, and oxygen.
また、上記被膜は、(Al1-a-bCraVb)(ただし、0≦a≦0.4、0≦b≦0.4、0≠a+b≦0.4)と、窒素、炭素または酸素のいずれか1以上の元素とにより構成される化合物からなるものとすることができる。 In addition, the above-mentioned film is composed of (Al 1-ab Cr a V b ) (where 0 ≦ a ≦ 0.4, 0 ≦ b ≦ 0.4, 0 ≠ a + b ≦ 0.4), nitrogen, carbon, or oxygen It can consist of a compound comprised with any one or more elements of these.
また、上記被膜は、(Al1-a-bCraVb)(ただし、0≦a≦0.4、0<b≦0.4、0≠a+b≦0.4)と、窒素、炭素または酸素のいずれか1以上の元素とにより構成される化合物からなるものとすることができる。 In addition, the above-mentioned coating is composed of (Al 1 -ab Cr a V b ) (where 0 ≦ a ≦ 0.4, 0 <b ≦ 0.4, 0 ≠ a + b ≦ 0.4), nitrogen, carbon, or oxygen It can consist of a compound comprised with any one or more elements of these.
また、上記被膜は、さらにSiを原子%で20%以下含むことができ、またさらにBを原子%で10%未満含むことができる。 The coating may further contain 20% or less of Si in atomic percent, and may further contain less than 10% in atomic percent of B.
また、上記被膜は、その被膜の膜厚の1/10以下の押し込み深さになるように制御された押し込み荷重を負荷して実行されるナノインデンテーション法による硬さ試験において、最大押し込み深さをhmax、荷重除荷後の押し込み深さをhfとした場合、(hmax−hf)/hmaxが0.2以上0.7以下の数値を示すものとすることができる。 In addition, in the hardness test by the nanoindentation method that is performed by applying an indentation load controlled so that the indentation depth is 1/10 or less of the film thickness of the film, the maximum indentation depth is obtained. Is hmax and the indentation depth after unloading is hf, (hmax−hf) / hmax can be a numerical value of 0.2 or more and 0.7 or less.
また、上記被膜は、その被膜の膜厚の1/10以下の押し込み深さになるように制御された押し込み荷重を負荷して実行されるナノインデンテーション法による硬さ試験において、20GPa以上50GPa以下の硬さを示すものとすることができる。 Moreover, in the hardness test by the nanoindentation method performed by applying the indentation load controlled so that the indentation depth is 1/10 or less of the film thickness of the film, the film is 20 GPa or more and 50 GPa or less. The hardness can be shown.
また、上記被膜の膜厚は、0.5μm以上15μm以下とすることができ、その圧縮残留応力は、−6GPa以上0GPa以下とすることができ、その結晶構造は、立方晶とすることができる。 The film thickness of the coating film can be 0.5 μm or more and 15 μm or less, the compressive residual stress can be −6 GPa or more and 0 GPa or less, and the crystal structure thereof can be a cubic crystal. .
また、上記基材は、WC基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化硅素焼結体、または酸化アルミニウムと炭化チタンとからなる混合体のいずれかとすることができる。 The base material is composed of WC-based cemented carbide, cermet, high speed steel, ceramics, cubic boron nitride sintered body, diamond sintered body, silicon nitride sintered body, or aluminum oxide and titanium carbide. It can be any of the mixtures.
また、上記被膜は、上記基材上に物理的蒸着法により形成することができ、さらにアーク式イオンプレーティング法またはマグネトロンスパッタリング法により形成することができる。 Moreover, the said film can be formed on the said base material by a physical vapor deposition method, and also can be formed by the arc type ion plating method or the magnetron sputtering method.
本発明の上記構成を有する表面被覆切削工具によれば、ドリル、エンドミル、切削チップ、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどの切削工具における耐摩耗性の向上が図れるため、寿命の長い表面被覆切削工具を提供することができ、特にチタン合金の切削加工用に優れた表面被覆切削工具となる。 According to the surface-coated cutting tool having the above-described configuration of the present invention, a cutting tool such as a drill, an end mill, a cutting tip, a cutting edge exchangeable tip for milling, a cutting edge exchangeable tip for turning, a metal saw, a gear cutting tool, a reamer, a tap, etc. Therefore, it is possible to provide a surface-coated cutting tool having a long life, and in particular, a surface-coated cutting tool excellent for cutting a titanium alloy.
<チタン合金加工用表面被覆切削工具>
本発明のチタン合金加工用表面被覆切削工具は、基材表面に直接接するように被膜が形成されているものである。
<Surface coated cutting tool for titanium alloy processing>
The surface-coated cutting tool for processing a titanium alloy according to the present invention has a coating formed so as to be in direct contact with the substrate surface.
このような本発明のチタン合金加工用表面被覆切削工具は、ドリル、エンドミル、切削チップ、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどの切削工具として好適に用いることができ、チタン合金の切削加工用に特化したものである。 Such a surface-coated cutting tool for machining titanium alloys according to the present invention includes cutting tools such as drills, end mills, cutting tips, milling-blade replacement tips, turning-tip replacement tips, metal saws, gear cutting tools, reamers, taps, etc. It can be suitably used as a tool, and is specialized for cutting a titanium alloy.
なお、本発明でいうチタン合金とは、難削材の一種であって、チタンを含有する従来公知の合金をいい、特に硬度110〜450HB(ブリネル硬さ)のものを対象とするものである。 The titanium alloy referred to in the present invention is a kind of difficult-to-cut material, and refers to a conventionally known alloy containing titanium, particularly for a material having a hardness of 110 to 450 HB (Brinell hardness). .
このようなチタン合金としては、たとえば、Ti−6Al−4V(HB=310)、Ti−5Al−2.5Sn、Ti−6Al−2Sn−4Zr−2Mo、Ti−3Al−8V−6Cr−4Mo−4Zr、Ti−10V−2Fe−3Al、Ti−13V−11Cr−3Al等を挙げることができる。 Examples of such a titanium alloy include Ti-6Al-4V (HB = 310), Ti-5Al-2.5Sn, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr. Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-13V-11Cr-3Al, and the like.
以下、各構成に分けて説明する。 Hereinafter, the description will be made separately for each component.
<基材>
本発明のチタン合金加工用表面被覆切削工具に用いられる基材は、この種の用途の基材として従来公知のものであればいずれのものも使用することができる。たとえば、WC基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス(炭化硅素、窒化硅素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど)、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化硅素焼結体、または酸化アルミニウムと炭化チタンとからなる混合体のいずれかであることが好ましい。
<Base material>
As the base material used in the surface-coated cutting tool for processing a titanium alloy according to the present invention, any material can be used as long as it is conventionally known as a base material for this type of application. For example, WC-based cemented carbide, cermet, high speed steel, ceramics (silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride, aluminum oxide, etc.), cubic boron nitride sintered body, diamond sintered body, silicon nitride sintered body, Or it is preferable that it is either the mixture which consists of aluminum oxide and titanium carbide.
<被膜>
本発明の被膜は、上記の基材の表面に直接接するように形成されるものである。このように形成されている限り、必ずしも上記基材を全面に亘って被覆している必要はなく、上記基材の表面に該被膜が形成されていない部分が含まれていても差し支えない。
<Coating>
The coating film of the present invention is formed so as to be in direct contact with the surface of the substrate. As long as it is formed in this way, it is not always necessary to cover the entire surface of the base material, and the surface of the base material may include a portion where the coating film is not formed.
このような被膜は、Alと、CrまたはVのいずれか一方または両方の元素と、窒素、炭素または酸素のいずれか1以上の元素とにより構成される化合物からなることを特徴としている。 Such a film is characterized by comprising a compound composed of Al, one or both of Cr and V, and one or more elements of nitrogen, carbon, and oxygen.
さらに好ましくは、上記被膜は、(Al1-a-bCraVb)(ただし、0≦a≦0.4、0≦b≦0.4、0≠a+b≦0.4)と、窒素、炭素または酸素のいずれか1以上の元素とにより構成される化合物からなるものとすることができる。 More preferably, the film is made of (Al 1-ab Cr a V b ) (where 0 ≦ a ≦ 0.4, 0 ≦ b ≦ 0.4, 0 ≠ a + b ≦ 0.4), nitrogen, carbon Or it can consist of a compound comprised with any one or more elements of oxygen.
このように上記被膜となる化合物は、金属成分としてTi(チタン)を含まず、Al(アルミニウム)を主成分とすることに特徴を有する。TiではなくAlを主成分として含有することで耐酸化特性が向上するとともに、熱伝導率が高くなり、切削加工時の発熱を工具表面から逃がすことができるので好ましい。また、表面での潤滑性能に起因するものと考えられるが、被削材であるチタン合金の耐溶着性能が向上するので切削抵抗も減少し、切りくず排出性も向上できる。よって、これらの特性が総合的に作用することで、表面被覆切削工具の耐摩耗性が飛躍的に向上することになり、特にチタン合金の加工用に適したものとなる。 Thus, the compound used as the film is characterized by not containing Ti (titanium) as a metal component but mainly containing Al (aluminum). It is preferable to contain Al as a main component instead of Ti because the oxidation resistance is improved, the thermal conductivity is increased, and heat generated during cutting can be released from the tool surface. Moreover, although it is thought that it originates in the lubrication performance on the surface, since the welding resistance performance of the titanium alloy as the work material is improved, the cutting resistance is reduced, and the chip discharge property can be improved. Therefore, these characteristics act comprehensively, so that the wear resistance of the surface-coated cutting tool is drastically improved, and it is particularly suitable for processing titanium alloys.
ここで、Alを除く、CrとVの量を(Al1-a-bCraVb)(ただし、0≦a≦0.4、0≦b≦0.4、0≠a+b≦0.4)と規定した。このようにCrとVの含有比率を表すaおよびbを、それぞれ0≦a≦0.4、0≦b≦0.4(ただし0≠a+b≦0.4)と規定しているのは、aおよびbが0.4を超えると、本被膜の硬度が低下し、耐摩耗性に問題が生じるためである。 Here, the amount of Cr and V, excluding Al, is (Al 1-ab Cr a V b ) (where 0 ≦ a ≦ 0.4, 0 ≦ b ≦ 0.4, 0 ≠ a + b ≦ 0.4) Stipulated. Thus, a and b representing the content ratio of Cr and V are respectively defined as 0 ≦ a ≦ 0.4 and 0 ≦ b ≦ 0.4 (where 0 ≠ a + b ≦ 0.4), This is because when a and b exceed 0.4, the hardness of the coating film is lowered and a problem occurs in wear resistance.
さらに好ましくは、上記aおよびbは、0≦a≦0.4、0<b≦0.4、より好ましくは、0≦a≦0.35、0<b≦0.35(ただし0≠a+b≦0.4)である。被膜(化合物)中にVが存在すると、切削時の高温環境で被膜表面が酸化される場合において、Vの酸化物は低融点であるので切削時の潤滑剤として作用し被削材の凝着を抑える効果が期待できることから、Vを含有していることが好ましい。この点、Crは、安定で緻密な酸化物を生成するので耐酸化性に優れるという作用を示すために含有されるものであるが、上記Vと異なりこれを含有せずに化合物を構成することもできる。 More preferably, a and b are 0 ≦ a ≦ 0.4, 0 <b ≦ 0.4, more preferably 0 ≦ a ≦ 0.35, 0 <b ≦ 0.35 (where 0 ≠ a + b ≦ 0.4). When V is present in the coating (compound), when the coating surface is oxidized in a high temperature environment during cutting, the oxide of V has a low melting point, and therefore acts as a lubricant during cutting and adheres to the work material. Since the effect which suppresses can be anticipated, it is preferable to contain V. In this regard, Cr is contained to show a function of excellent oxidation resistance because it produces a stable and dense oxide, but unlike V, it does not contain this to constitute a compound. You can also.
一方、該化合物においてCrとVを添加することにより、常温常圧で準安定相である立方晶のAl化合物(すなわち被膜)が形成できる点も、好適な特徴点となる。たとえば、窒化物であるAlNを例にとると、通常は六方晶であるが準安定相である立方晶となった場合の推定格子定数は4.12Åであるのに対して、常温常圧で立方晶が安定相であるCrNおよびVNの格子定数は4.14Åであり、非常に立方晶のAlNと近いため、その引き込み効果によりAlNは立方晶化して高硬度化する。従って、被膜の結晶構造(結晶系)は立方晶であることが好ましく、このため該化合物としてCrとVを含有することが好ましい。 On the other hand, the addition of Cr and V to the compound makes it possible to form a cubic Al compound (that is, a coating film) that is a metastable phase at room temperature and normal pressure. For example, in the case of AlN that is a nitride, the estimated lattice constant in the case of a cubic crystal that is usually a hexagonal crystal but a metastable phase is 4.12%, whereas The lattice constant of CrN and VN, in which cubic crystals are stable phases, is 4.14 、, which is very close to cubic AlN, so that AlN becomes cubic and high hardness due to the pulling effect. Therefore, the crystal structure (crystal system) of the coating is preferably cubic, and therefore it is preferable to contain Cr and V as the compound.
また、該被膜(上記化合物)は、Siを原子%で20%以下含むことで被膜硬度をさらに向上させることができる。被膜中にSiが存在すると、被膜の組織が柱状から針状へ微細化し、被膜の硬度が向上するので好ましい。 Further, the coating film (the above compound) can further improve the coating film hardness by containing 20% or less of Si in atomic%. The presence of Si in the film is preferable because the structure of the film is refined from a columnar shape to a needle shape and the hardness of the film is improved.
しかし、Siが20%を超えて含有されると被膜が脆くなり逆に摩耗は促進されることになる。また、被膜の形成に用いる合金ターゲットを熱間静水圧加圧処理で作製する場合、Si量を20%を超えて含有させると、ターゲットが焼成中に割れてしまいコーティングに使用可能な材料強度が得られないこととなる。 However, if the Si content exceeds 20%, the coating becomes brittle and conversely, wear is promoted. Moreover, when producing the alloy target used for film formation by hot isostatic pressing, if the Si content exceeds 20%, the target is cracked during firing, and the material strength that can be used for coating is increased. It will not be obtained.
したがって、被膜中(上記化合物中)のSiの含有量は、原子%で20%以下とすることが好ましく、さらに好ましくは、5%以上15%以下であることが好ましい。 Therefore, the Si content in the coating (in the above compound) is preferably 20% or less in atomic%, more preferably 5% or more and 15% or less.
また、該被膜(上記化合物)は、Bを原子%で10%未満含むものとすることができる。詳細なメカニズムは不明ながら、Bが被膜中に含まれるとさらに高硬度な被膜が得られるため好ましい。また、切削中の表面酸化によって形成されるBの酸化物が特にAlの酸化物を緻密化することからも好ましい。さらに、Bの酸化物は低融点であるので切削時の潤滑剤として作用し、被削材であるチタン合金に対して凝着を抑える効果を示すことができる。 In addition, the coating (the above compound) may contain B in atomic percent of less than 10%. Although the detailed mechanism is unknown, it is preferable that B is contained in the coating because a coating with higher hardness can be obtained. Further, the oxide of B formed by surface oxidation during cutting is particularly preferable because it densifies the oxide of Al. Furthermore, since the oxide of B has a low melting point, it acts as a lubricant during cutting, and can exhibit an effect of suppressing adhesion to a titanium alloy as a work material.
しかし、Bが10%を超えて含有されるとターゲット焼成中に割れてしまうため好ましくない。したがって、被膜中(上記化合物中)のBの含有量は、原子%で10%未満とすることが好ましく、さらに好ましくは、0.1%以上5%以下であることが好ましい。 However, if B exceeds 10%, it is not preferable because it breaks during target firing. Therefore, the B content in the film (in the above compound) is preferably less than 10% in atomic%, and more preferably 0.1% or more and 5% or less.
<ナノインデンテーション法を利用した数値限定>
上記被膜は、その被膜の膜厚の1/10以下の押し込み深さになるように制御された押し込み荷重を負荷して実行されるナノインデンテーション法による硬さ試験において、最大押し込み深さをhmax、荷重除荷後の押し込み深さ(圧痕深さ)をhfとした場合、(hmax−hf)/hmaxが0.2以上0.7以下の数値を示すものとすることが好ましい。
<Numerical limitation using nanoindentation method>
In the hardness test by the nanoindentation method performed by applying a controlled indentation load so that the indentation depth is 1/10 or less of the film thickness of the film, the maximum indentation depth is hmax. When the indentation depth (indentation depth) after unloading is hf, it is preferable that (hmax−hf) / hmax represents a numerical value of 0.2 to 0.7.
ここで、ナノインデンテーション法とは、たとえば文献「トライボロジスト、第47巻、第3号、(2002)p177〜183」に詳しく説明されているように、硬さ試験の一種であるが、従来のヌープ硬度測定(マイクロヌープ法)やビッカース硬度測定(マイクロビッカース法)といった押し込み後の圧痕形状から硬度を求める手法とは異なり、圧子の押し込み時の荷重と深さの関係から硬さやヤング率を求める方法である。これらの従来の試験方法とナノインデンテーション法との比較を以下の表1に示す。 Here, the nanoindentation method is a kind of hardness test as described in detail in, for example, the document “Tribologist, Vol. 47, No. 3, (2002) p177-183”. Unlike the method of obtaining hardness from the indentation shape after indentation, such as Knoop hardness measurement (micro Knoop method) and Vickers hardness measurement (micro Vickers method), the hardness and Young's modulus are calculated from the relationship between the load and depth when the indenter is indented. It is a method to seek. The comparison between these conventional test methods and the nanoindentation method is shown in Table 1 below.
表1より明らかな通り、従来の硬度試験方法であるマイクロヌープ法やマイクロビッカース法では、押し込み荷重(F)が50mN〜10Nと大きかったことから、押し込み深さ(h)が100nm以上となるため被膜のみの物性評価とはならず下地基材の影響を受けるものであった。なお、本願でいう押し込み深さ(h)とは、表1に示されているように、荷重をかけて圧子を押し込んだ場合の圧子の先端部分から被膜の表面(圧子により荷重がかけられていない表面部分)までの高さ(距離)をいう。 As is clear from Table 1, in the conventional Knoop method or Micro Vickers method, which is a hardness test method, the indentation load (F) is as large as 50 mN to 10 N, and therefore the indentation depth (h) is 100 nm or more. It was not only the physical property evaluation of the film but was affected by the base material. As shown in Table 1, the indentation depth (h) referred to in the present application is the surface of the coating (the load is applied by the indenter) from the tip of the indenter when the indenter is pushed under a load. The height (distance) up to (not surface part).
上記の文献でも指摘されているように、被膜のみの硬度評価を行なうためには、被膜の膜厚の約1/10以下の押し込み深さ(h)での測定が必要となるので、たとえば、1μmの被膜を対象とした場合、押し込み深さは100nm以下としなければならない。したがって、本発明の硬さ試験においては、上記被膜の膜厚の1/10以下の押し込み深さになるように制御された押し込み荷重を負荷して実行されるナノインデンテーション法を採用している。 As pointed out in the above-mentioned document, in order to evaluate the hardness of only the film, it is necessary to measure at an indentation depth (h) of about 1/10 or less of the film thickness. When a 1 μm film is targeted, the indentation depth must be 100 nm or less. Therefore, in the hardness test of the present invention, a nanoindentation method that is executed by applying a controlled indentation load so that the indentation depth is 1/10 or less of the film thickness of the coating film is employed. .
これに対して、従来法のように圧痕の大きさを光学顕微鏡で測定者が観察する方法では圧痕形状を判別する測定精度の点でも困難を伴うものであった。この点、ナノインデンテーション法では機械的に深さを求めるものであるため有利である。 On the other hand, the method in which the measurer observes the size of the indentation with an optical microscope as in the conventional method is also difficult in terms of measurement accuracy for determining the indentation shape. In this respect, the nanoindentation method is advantageous because it is a method for obtaining the depth mechanically.
また、上記条件下で実行されるナノインデンテーション法による硬さ試験における、圧子を被膜表面に押し込んだ場合の荷重と押し込み深さとの関係を概念的に図1に示す。この試験では、圧子駆動部に変位計を設置し、圧子の押し込み深さ(h)を連続的に測定しながら、荷重を最大押し込み荷重(Pmax)まで除々に増加させ、最大押し込み荷重(Pmax)となった場合の押し込み深さ(h)を最大押し込み深さhmaxとして測定する。その後、荷重ゼロ(荷重をかけない状態)まで除荷させた場合の押し込み深さ(h)を荷重除荷後の押し込み深さhfとして測定する。 FIG. 1 conceptually shows the relationship between the load and the indentation depth when the indenter is indented into the coating surface in the hardness test by the nanoindentation method executed under the above conditions. In this test, a displacement meter is installed in the indenter drive section, and while continuously measuring the indentation depth (h), the load is gradually increased to the maximum indentation load (Pmax), and the maximum indentation load (Pmax). Then, the indentation depth (h) is measured as the maximum indentation depth hmax. Thereafter, the indentation depth (h) when the load is unloaded to zero (the state where no load is applied) is measured as the indentation depth hf after the unloading.
従来法であるマイクロヌープ法やマイクロビッカース法では、図1のhf、つまり荷重除荷後の圧痕形状を測定していた。しかし、この方法では上記の通り測定精度に問題がある。これに対して、ナノインデンテーション法では、最大押し込み深さhmaxと荷重除荷後の押し込み深さhfとを測定すると、(hmax−hf)から被膜の弾性回復量がわかる。この値が大きいければ、弾性変形しやすく、小さければ弾性変形しにくい。 In the conventional method such as the micro Knoop method and the micro Vickers method, hf in FIG. 1, that is, the shape of the indentation after unloading the load was measured. However, this method has a problem in measurement accuracy as described above. On the other hand, in the nanoindentation method, when the maximum indentation depth hmax and the indentation depth hf after unloading are measured, the elastic recovery amount of the coating can be obtained from (hmax−hf). If this value is large, it is easy to elastically deform, and if it is small, it is difficult to elastically deform.
本発明では、この弾性回復量を表す指標としての弾性回復率、すなわち(hmax−hf)/hmaxに注目した。チタン合金の切削において工具寿命延長を図るには刃先、特に膜のチッピング性や欠損性を向上させることが重要である。この点、上記の弾性回復量(hmax−hf)の大きい材料を見いだすことができれば、切削時に刃先にかかる負荷に対して被膜材料の変形が追随するため、特に切削初期に発生するチッピングや欠損を抑制することが可能となる。 In the present invention, attention is paid to the elastic recovery rate, that is, (hmax−hf) / hmax as an index representing the elastic recovery amount. In order to extend the tool life in the cutting of a titanium alloy, it is important to improve the chipping property and chipability of the cutting edge, particularly the film. In this regard, if a material having a large elastic recovery amount (hmax−hf) can be found, the deformation of the coating material follows the load applied to the blade edge during cutting, and therefore chipping and chipping that occurs particularly at the beginning of cutting are avoided. It becomes possible to suppress.
具体的な測定方法としては、膜厚の1/10以下の押し込み深さ(h)になるように制御された押し込み荷重を負荷して実行されるナノインデンテーション法による硬さ試験において、最大押し込み深さをhmax、荷重除荷後の押し込み深さ(圧痕深さ)をhfとした場合、これらを測定することにより(hmax−hf)/hmaxを求める。 As a specific measurement method, the maximum indentation in the hardness test by the nano-indentation method executed by applying an indentation load controlled so that the indentation depth (h) is 1/10 or less of the film thickness. When the depth is hmax and the indentation depth (indentation depth) after unloading is hf, (hmax−hf) / hmax is obtained by measuring these.
そして、本発明の被膜としては、(hmax−hf)/hmaxが0.2以上0.7以下の数値を示すものが好ましい。これは、(hmax−hf)/hmaxが0.2未満であると、切削時の衝撃で刃先のチッピングが発生し易くなる傾向を示し、また(hmax−hf)/hmaxが0.7を超える場合には膜の硬度が低下するためである。 And as a film of this invention, (hmax-hf) / hmax shows what shows the numerical value of 0.2-0.7. This indicates that when (hmax−hf) / hmax is less than 0.2, chipping of the cutting edge tends to occur due to impact during cutting, and (hmax−hf) / hmax exceeds 0.7. This is because the hardness of the film decreases in some cases.
一方、上記被膜は、その被膜の膜厚の1/10以下の押し込み深さになるように制御された押し込み荷重を負荷して実行されるナノインデンテーション法による硬さ試験において、20GPa以上50GPa以下の硬さを示すものであることが好ましい。これは、20GPa未満では硬度が低く耐摩耗性に問題があり、この点からすれば硬度は高い方が好ましいが、50GPaを超えると被膜に蓄積する残留圧縮応力が高くなり、切削前において刃先稜線部で被膜の剥離が発生することがあるからである。 On the other hand, the hardness of the coating film is 20 GPa or more and 50 GPa or less in a hardness test by a nanoindentation method performed by applying an indentation load controlled so as to have an indentation depth of 1/10 or less of the film thickness of the film. It is preferable that the hardness is shown. This is because if the hardness is less than 20 GPa, the hardness is low and there is a problem in wear resistance. From this point, it is preferable that the hardness is higher, but if it exceeds 50 GPa, the residual compressive stress accumulated in the coating increases, and the cutting edge ridge line before cutting This is because peeling of the film may occur at the portion.
<被膜の膜厚>
上記被膜の膜厚は、0.5μm以上15μm以下であることが好ましい。膜厚が0.5μm未満では耐摩耗性の向上が見られず、逆に15μmを越えると被膜中の残留応力が大きくなり基材との密着強度が低下するので好ましくない。膜厚の測定法としては、表面被覆切削工具を切断し、その断面をSEM(走査型電子顕微鏡)を用いて観察して求めることができる。
<Film thickness>
The film thickness is preferably 0.5 μm or more and 15 μm or less. If the film thickness is less than 0.5 μm, improvement in wear resistance is not observed. Conversely, if the film thickness exceeds 15 μm, the residual stress in the coating increases and the adhesion strength with the substrate decreases, which is not preferable. As a method for measuring the film thickness, it can be obtained by cutting a surface-coated cutting tool and observing the cross section with an SEM (scanning electron microscope).
<被膜の圧縮残留応力>
上記被膜の圧縮残留応力は、−6GPa以上0GPa以下であることが好ましい。0GPaを超えると、被膜には引っ張り応力が残留することとなり、膜に亀裂が入りやすくなるとともにチッピング性や欠損性が低下することになる。また、−6GPa未満となると、被膜中の残留応力が大きくなり基材との密着強度が低下するので好ましくない。
<Compressive residual stress of coating>
The compressive residual stress of the coating is preferably -6 GPa or more and 0 GPa or less. If it exceeds 0 GPa, a tensile stress remains in the coating, and the film tends to crack and chipping properties and chipping properties are reduced. Moreover, when it becomes less than -6 GPa, since the residual stress in a film becomes large and the adhesive strength with a base material falls, it is unpreferable.
<被膜の形成方法>
本発明の上記被膜を基材表面に被覆するためには、結晶性の高い化合物を形成することができる成膜プロセスで作製されることが好ましい。そこで、種々の成膜方法を検討した結果、物理的蒸着法を用いることが好ましい。
<Method for forming film>
In order to coat the above-mentioned coating film of the present invention on the substrate surface, it is preferably produced by a film forming process capable of forming a compound having high crystallinity. Therefore, as a result of examining various film forming methods, it is preferable to use a physical vapor deposition method.
物理的蒸着法としては、種々のものが知られているが中でもアーク式イオンプレーティング法またはマグネトロンスパッタリング法を採用することが特に好ましい。 Various physical vapor deposition methods are known, but it is particularly preferable to employ an arc ion plating method or a magnetron sputtering method.
マグネトロンスパッタリング法には、バランスドマグネトロンスパッタリング法、アンバランスドマグネトロンスパッタリング法等がある。また、アーク式イオンプレーティング法にも種々のものがあるが、特に、原料元素のイオン率が高いカソードアークイオンプレーティング法を採用することが特に好ましい。 Examples of the magnetron sputtering method include a balanced magnetron sputtering method and an unbalanced magnetron sputtering method. There are various arc type ion plating methods, and it is particularly preferable to adopt the cathode arc ion plating method in which the ion ratio of the raw material elements is high.
このカソードアークイオンプレーティング法を用いると、被膜を形成する前に基材表面に対して金属のイオンボンバードメント処理が可能となるため、被膜の密着性が飛躍的に向上する。このため、密着性という意味からもカソードアークイオンプレーティング法は好ましいプロセスである。 When this cathodic arc ion plating method is used, metal ion bombardment treatment can be performed on the surface of the substrate before the coating is formed, so that the adhesion of the coating is dramatically improved. For this reason, the cathode arc ion plating method is a preferable process from the viewpoint of adhesion.
<その他>
本発明のチタン合金加工用表面被覆切削工具は、上記被膜上に最表面層として低硬度ではあるが結晶構造が六方晶系であるAlを主成分とし、窒素、炭素または酸素のいずれか1以上の元素とによる化合物が被覆されていてもよい。高硬度被膜の上に低硬度被膜があることで、よりチッピング性や欠損性が向上するためである。
<Others>
The surface-coated cutting tool for processing a titanium alloy according to the present invention is mainly composed of Al having a low hardness but a crystal structure of hexagonal system as the outermost surface layer on the coating, and any one or more of nitrogen, carbon and oxygen The compound by these elements may be coat | covered. This is because the chipping property and the chipping property are further improved by having the low hardness coating on the high hardness coating.
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、実施例中の被膜の化合物組成はXPS(X線光電子分光分析装置)によって確認し、硬度および弾性回復率((hmax−hf)/hmax)はナノインデンター(MTS社製Nano Indenter XP)により確認した。また、以下では被膜をカソードアークイオンプレーティング法により形成しているが、例えばバランスドまたはアンバランスドスパッタリング法によっても成膜することは可能である。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to these. In addition, the compound composition of the film in an Example is confirmed by XPS (X-ray photoelectron spectroscopy analyzer), hardness and elastic recovery rate ((hmax-hf) / hmax) are nanoindenters (Nano Indenter XP by MTS). Confirmed by In the following, the film is formed by the cathode arc ion plating method, but it can also be formed by, for example, a balanced or unbalanced sputtering method.
<チタン合金加工用表面被覆切削工具の作製>
まず、チタン合金加工用表面被覆切削工具の基材として、グレードがJIS規格S20のWC基超硬合金であって、切削チップとしての形状がJIS規格のCNMG120408であるものを使用し、これをカソードアークイオンプレーティング装置に装着した。
<Production of surface-coated cutting tool for titanium alloy processing>
First, as a base material for a surface-coated cutting tool for machining a titanium alloy, a grade of WC standard cemented carbide of JIS standard S20 and a shape as a cutting tip of CNMG120408 of JIS standard is used as a cathode. Attached to the arc ion plating apparatus.
続いて、真空ポンプにより該装置のチャンバー内を減圧するとともに、該装置内に設置されたヒーターにより上記基材の温度を650℃に加熱し、チャンバー内の圧力が1.0×10-4Paとなるまで真空引きを行なった。 Subsequently, the inside of the chamber of the apparatus is depressurized by a vacuum pump, and the temperature of the base material is heated to 650 ° C. by a heater installed in the apparatus, so that the pressure in the chamber is 1.0 × 10 −4 Pa. A vacuum was drawn until
次に、アルゴンガスを導入してチャンバー内の圧力を3.0Paに保持し、基板バイアス電源の電圧を徐々に上げながら−1500Vとし、基材の表面のクリーニングを15分間行なった。その後、アルゴンガスを排気した。 Next, argon gas was introduced to maintain the pressure in the chamber at 3.0 Pa, the substrate bias power supply voltage was gradually increased to −1500 V, and the substrate surface was cleaned for 15 minutes. Thereafter, argon gas was exhausted.
次いで、上記基材表面に直接接するように形成される被膜の化合物組成として、以下の表2に記載した化合物組成となるように金属蒸発源である合金製ターゲットをセットするとともに、反応ガスとして窒素、メタン(炭素源として)、酸素または一酸化炭素のいずれか1以上のガスを導入させながら、基材(基板)温度650℃、反応ガス圧2.0Pa、基板バイアス電圧を−200Vに維持したまま、カソード電極に100Aのアーク電流を供給し、アーク式蒸発源から金属イオンを発生させることにより、上記基材表面に直接接するように被膜を形成した。 Next, as a compound composition of the film formed so as to be in direct contact with the substrate surface, an alloy target as a metal evaporation source is set so as to have a compound composition described in Table 2 below, and nitrogen is used as a reaction gas. The substrate (substrate) temperature was 650 ° C., the reaction gas pressure was 2.0 Pa, and the substrate bias voltage was maintained at −200 V while introducing at least one of methane (as a carbon source), oxygen, or carbon monoxide. The film was formed so as to be in direct contact with the substrate surface by supplying an arc current of 100 A to the cathode electrode and generating metal ions from the arc evaporation source.
そして、表2に記載した所定の膜厚となったところで蒸発源に供給する電流をストップさせた。通常はこのまま徐冷するが、本実施例ではコーティング終了と同時にHeガスを導入しチャンバー内に充満させることにより基材の急冷を行なった。このようにして、表2に示すように実施例1〜15の本発明に係るチタン合金加工用表面被覆切削工具を得た。 Then, the current supplied to the evaporation source was stopped when the predetermined film thickness described in Table 2 was reached. Normally, this is gradually cooled, but in this example, the substrate was rapidly cooled by introducing He gas and filling the chamber at the same time as the end of coating. In this way, as shown in Table 2, surface-coated cutting tools for machining titanium alloys according to the present invention of Examples 1 to 15 were obtained.
なお、詳細なメカニズムは解明されていないものの、上記のような急冷処理により被膜中の結晶粒が微細化され、弾性回復量が大きくなるものと推定される。また、表2に記載した従来品に該当する比較例1〜2の表面被覆切削工具を、上記において急冷しないことを除き、その他は全て同様にして作製した。 Although the detailed mechanism has not been elucidated, it is presumed that the crystal grains in the film are refined by the rapid cooling treatment as described above, and the elastic recovery amount is increased. Further, the surface-coated cutting tools of Comparative Examples 1 and 2 corresponding to the conventional products listed in Table 2 were produced in the same manner except that they were not quenched in the above.
これらの表面被覆切削工具に関する被膜の結晶構造(結晶系)および圧縮残留応力も表2に併せて記載するとともに、硬度および弾性回復率((hmax−hf)/hmax)を以下の表3に記載する。 The crystal structure (crystal system) and compressive residual stress of these surface-coated cutting tools are also described in Table 2, and the hardness and elastic recovery rate ((hmax−hf) / hmax) are described in Table 3 below. To do.
<表面被覆切削工具の寿命評価>
上記で作製した実施例1〜15および比較例1〜2の表面被覆切削工具のそれぞれについて、以下に示す条件による湿式(水溶性エマルジョン)の連続切削試験および断続切削試験を行なった。そして、刃先の逃げ面摩耗幅が0.2mmを超える時間を切削時間として測定した。
<Life evaluation of surface-coated cutting tools>
Each of the surface-coated cutting tools of Examples 1 to 15 and Comparative Examples 1 and 2 prepared above was subjected to a wet (water-soluble emulsion) continuous cutting test and an intermittent cutting test under the following conditions. Then, the time when the flank wear width of the blade edge exceeded 0.2 mm was measured as the cutting time.
切削条件は、被削材としてチタン合金Ti−6Al−4V(HB=310)を用い、切削速度80m/min、送り量0.2mm/rev、切り込み1mmとした。 The cutting conditions were a titanium alloy Ti-6Al-4V (HB = 310) as a work material, a cutting speed of 80 m / min, a feed amount of 0.2 mm / rev, and a cutting depth of 1 mm.
表面被覆切削工具の寿命評価結果として上記で測定した切削時間を上記表3に示す。表3から明らかなように、連続切削試験においても断続切削試験においても実施例1〜15の本発明に係るチタン合金加工用表面被覆切削工具は、比較例1〜2の表面被覆切削工具に比し、切削時間が極めて長く、表面被覆切削工具の寿命が大きく向上し、チタン合金加工用の表面被覆切削工具として適していることを確認した。 Table 3 shows the cutting times measured above as the results of the life evaluation of the surface-coated cutting tool. As apparent from Table 3, the surface-coated cutting tool for machining titanium alloy according to the present invention in Examples 1 to 15 in both the continuous cutting test and the intermittent cutting test is compared with the surface-coated cutting tool in Comparative Examples 1 and 2. As a result, it was confirmed that the cutting time was extremely long, the life of the surface-coated cutting tool was greatly improved, and it was suitable as a surface-coated cutting tool for machining titanium alloys.
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許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。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
Claims (13)
前記被膜は、Alと、CrまたはVのいずれか一方または両方の元素と、窒素、炭素または酸素のいずれか1以上の元素とにより構成される化合物からなることを特徴とするチタン合金加工用表面被覆切削工具。 In the surface-coated cutting tool for titanium alloy processing in which a film is formed so as to be in direct contact with the substrate surface,
The coating film is made of a compound composed of Al, one or both of Cr and V, and one or more elements of nitrogen, carbon, or oxygen, and a titanium alloy processing surface, Coated cutting tool.
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