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JP5532320B2 - Surface-coated cutting tool and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP5532320B2
JP5532320B2 JP2010155824A JP2010155824A JP5532320B2 JP 5532320 B2 JP5532320 B2 JP 5532320B2 JP 2010155824 A JP2010155824 A JP 2010155824A JP 2010155824 A JP2010155824 A JP 2010155824A JP 5532320 B2 JP5532320 B2 JP 5532320B2
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Description

本発明は、表面被覆切削工具に関し、特に表面が凹凸加工された基材上に被膜を被覆した表面被覆切削工具に関する。   The present invention relates to a surface-coated cutting tool, and more particularly, to a surface-coated cutting tool in which a coating is coated on a substrate whose surface has been processed to be uneven.

表面被覆切削工具の耐摩耗性および表面保護性を向上するために、WC超硬合金、サーメット等からなる基材の表面に、Ti、TiAl等の窒化物を単層または複数層積層した被膜を被覆することはよく知られている。   In order to improve the wear resistance and surface protection of surface-coated cutting tools, a coating made of a single layer or multiple layers of nitrides such as Ti and TiAl on the surface of a substrate made of WC cemented carbide, cermet, etc. Coating is well known.

近年、ステンレス、インコネル、チタン合金等のように、被削材の難削化が進んでおり、工具材料に要求される性能は厳しさを増す一方である。難削材の加工には、被膜の耐熱性を向上させることはもちろん、被膜が被削材に溶着して剥離することを防ぐために、基材と被膜とを強固に密着させる必要がある。   In recent years, work materials such as stainless steel, Inconel, and titanium alloys have become more difficult to cut, and the performance required for tool materials is becoming increasingly severe. In the processing of difficult-to-cut materials, it is necessary not only to improve the heat resistance of the film, but also to firmly adhere the substrate and the film in order to prevent the film from being welded to the material to be peeled off.

たとえば特許文献1では、基材表面に、0.5μm以上30μm以下の面粗度Rmaxの凹凸を形成し、該凹凸が形成された基材上に被膜を形成する技術が開示されている。このような表面に被膜を形成することにより、基材と被膜との間にアンカー効果を作用させて、基材と被膜との密着性の向上を図っている。 For example, Patent Document 1 discloses a technique in which irregularities having a surface roughness R max of 0.5 μm or more and 30 μm or less are formed on a substrate surface, and a coating film is formed on the substrate on which the irregularities are formed. By forming a film on such a surface, an anchor effect is caused to act between the substrate and the film, thereby improving the adhesion between the substrate and the film.

また、特許文献2には、基材表面に平均高さが0.05μm以上0.5μm以下の略三角形状の凸状結合相を形成し、かかる凸状結合相上に被膜を形成する技術が開示されている。このようにして被膜を形成することにより、凸状結合相と被膜とを密着させることをもって、基材と被膜との密着性の向上を図っている。   Patent Document 2 discloses a technique in which a substantially triangular convex binder phase having an average height of 0.05 μm or more and 0.5 μm or less is formed on the surface of a base material, and a film is formed on the convex binder phase. It is disclosed. By forming the coating in this way, the adhesiveness between the substrate and the coating is improved by bringing the convex binder phase and the coating into close contact.

特許文献3には、被膜を構成する結晶粒として、微粒の結晶粒と粗粒の結晶粒とを含むことにより、切削時に生じやすい大規模な溶着剥離を抑制する技術が開示されている。また、特許文献4には、被膜にSiを混入することにより、耐熱性および耐摩耗性を向上せしめた表面被覆切削工具が開示されている。   Patent Document 3 discloses a technique for suppressing large-scale welding separation that is likely to occur during cutting by including fine crystal grains and coarse crystal grains as crystal grains constituting the film. Patent Document 4 discloses a surface-coated cutting tool in which heat resistance and wear resistance are improved by mixing Si into the coating.

特開平04−280972号公報JP 04-280972 A 特開2007−031779号公報JP 2007-031779 A 特開2008−284636号公報JP 2008-284636 A 特開平08−118106号公報JP 08-118106 A

特許文献2に示されるように、基材としてWC超硬合金を用いる場合、基材に含まれる結合相は基材表面において、表面全体の10%程度を占めるのみに留まる。このため、基材表面に位置する結合相の全てを理想的に被膜に接合させたとしても、基材と被膜とを強固に密着させることはできなかった。   As shown in Patent Document 2, when a WC cemented carbide is used as a base material, the binder phase contained in the base material only occupies about 10% of the entire surface on the base material surface. For this reason, even if all of the binder phases located on the surface of the base material are ideally bonded to the film, the base material and the film cannot be firmly adhered.

また、特許文献3では、被膜を構成する結晶粒を微粒化したことに伴い、基材を構成する硬質粒子も微粒にする必要がある。このため、基材を構成する材料が大幅に制限されることになる。また、特許文献4に開示される被膜は、Siを含有するため、圧縮残留応力が非常に高くなり、被膜が基材から剥離しやすいことが課題であった。   Moreover, in patent document 3, it is necessary to also make the hard particle | grains which comprise a base material fine according to atomizing the crystal grain which comprises a film. For this reason, the material which comprises a base material will be restrict | limited significantly. In addition, since the coating disclosed in Patent Document 4 contains Si, the compressive residual stress is very high, and the coating is easily peeled off from the substrate.

以上、要するに、基材と被膜との密着性を向上させる試みは、従来から検討されているものの、ドライ切削、高送り条件等のような過酷な切削条件に耐え得るほど、基材と被膜とを密着させることはできていなかった。   In short, attempts to improve the adhesion between the base material and the coating have been studied conventionally, but the base material and the coating are sufficiently resistant to severe cutting conditions such as dry cutting and high feed conditions. Could not be adhered.

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、基材と被膜との密着性を良好に保ち、過酷な切削条件に耐え得る表面被覆切削工具を提供することである。   The present invention has been made in view of the current situation as described above, and the object of the present invention is to provide a surface-coated cutting tool that can maintain good adhesion between a substrate and a coating and withstand severe cutting conditions. Is to provide.

本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、基材は、硬質粒子と該硬質粒子を結合する結合相とを含み、被膜に接する硬質粒子は、被膜に接する側の表面に凹凸が形成されており、表面被覆切削工具の表面に対する法線を含む平面で切断したときの断面において、基材は、被膜に接する側の表面に位置する長さ50μmの基準線における面粗度Rmaxが1μm以上10μm以下であり、基準線における硬質粒子の凹凸を構成する凹部のうち、少なくとも1つの凹部において、該凹部を挟む両端の凸部の先端を結ぶ線分Aの長さLは、10nm以上100nm以下であり、線分Aに平行でかつ凹部の最深部に接する線分Bと、線分Aとの距離Dは、10nm以上100nm以下であり、該硬質粒子と被膜との接触線の長さをSとし、接触線には1または複数の所定形状の凹部が含まれ、該所定形状の凹部の長さLの和をTとすると、比T/Sは、0.1以上であることを特徴とする。 The surface-coated cutting tool of the present invention is a surface-coated cutting tool comprising a base material and a coating film formed on the base material, and the base material includes hard particles and a binder phase that binds the hard particles. The hard particles in contact with the coating have irregularities formed on the surface in contact with the coating, and the substrate contacts the coating in a cross section when cut by a plane including the normal to the surface of the surface-coated cutting tool. The surface roughness R max at the reference line of 50 μm in length located on the surface on the side is 1 μm or more and 10 μm or less, and at least one of the recesses constituting the unevenness of the hard particles in the reference line sandwiches the recess The length L of the line segment A connecting the tips of the convex portions at both ends is 10 nm or more and 100 nm or less, and the distance D between the line segment B parallel to the line segment A and in contact with the deepest part of the concave portion is 10 nm or more and 100 nm or less, If the length of the contact line between the hard particles and the coating is S, the contact line includes one or more recessed portions of a predetermined shape, and T is the sum of the lengths L of the recessed portions of the predetermined shape. / S is 0.1 or more.

被膜は、柱状晶の結晶組織からなり、所定形状の凹部に接する被膜の柱状晶の結晶の幅Wは、所定形状の凹部の長さLよりも小さいことが好ましい。長さLが、10nm以上50nm以下であり、かつ距離Dが10nm以上50nm以下であり、かつ比T/Sは0.1以上であることが好ましい。   It is preferable that the film has a columnar crystal structure, and the width W of the columnar crystal in contact with the recess having a predetermined shape is smaller than the length L of the recess having the predetermined shape. It is preferable that the length L is 10 nm or more and 50 nm or less, the distance D is 10 nm or more and 50 nm or less, and the ratio T / S is 0.1 or more.

被膜は、Ti、Al、Si、およびCrからなる群より選ばれる1種以上の第1元素の炭化物、窒化物、または炭窒化物を含み、該第1元素に占めるSiの原子比は、20原子%以下であることが好ましい。第1元素に占めるSiの原子比は、3原子%以上10原子%以下であることが好ましい。   The coating includes one or more first element carbides, nitrides, or carbonitrides selected from the group consisting of Ti, Al, Si, and Cr, and the atomic ratio of Si in the first elements is 20 It is preferably at most atomic%. The atomic ratio of Si in the first element is preferably 3 atomic percent or more and 10 atomic percent or less.

表面被覆切削工具の表面に対する法線を含む平面で該表面被覆切削工具を切断した場合の断面における基材の表面の長さ50μmの基準線において、1μm以上10μm以下の面粗度Rmaxを形成する第1ステップと、被膜に接する側の基材の表面に位置する硬質粒子の表面に、凹凸を形成する第2ステップと、基材に対し、物理的蒸着法により基材上に被膜を形成する第3ステップとを含み、基準線における硬質粒子の凹凸を構成する凹部のうち、少なくとも1つの凹部において、該凹部を挟む両端の凸部の先端を結ぶ線分Aの長さLは、10nm以上100nm以下であり、線分Aに平行でかつ凹部の最深部に接する線分Bと、線分Aとの距離Dは、10nm以上100nm以下であり、該硬質粒子と被膜との接触線の長さをSとし、接触線には1または複数の所定形状の凹部が含まれ、該所定形状の凹部の長さLの和をTとすると、比T/Sは、0.1以上であることを特徴とする。 A surface roughness R max of 1 μm or more and 10 μm or less is formed on a reference line of 50 μm length of the surface of the substrate in a cross section when the surface coated cutting tool is cut in a plane including a normal line to the surface of the surface coated cutting tool A first step, a second step of forming irregularities on the surface of the hard particles located on the surface of the substrate on the side in contact with the coating, and forming a coating on the substrate by physical vapor deposition on the substrate The length L of the line segment A connecting the tips of the convex portions at both ends sandwiching the concave portion in at least one concave portion among the concave portions constituting the concave and convex portions of the hard particles in the reference line is 10 nm. The distance D between the line segment A, which is 100 nm or less, parallel to the line segment A and in contact with the deepest part of the recess, and the line segment A is 10 nm or more and 100 nm or less, and the contact line between the hard particles and the coating The length is S and the contact line Includes one or a plurality of recesses having a predetermined shape, and the ratio T / S is 0.1 or more, where T is the sum of the lengths L of the recesses of the predetermined shape.

第1ステップおよび第2ステップはいずれも、イオンボンバード処理によって行なうことが好ましい。   Both the first step and the second step are preferably performed by ion bombardment.

本発明の表面被覆切削工具は、上記のような構成を有することにより、基材と被膜との密着性を良好に保ち、過酷な切削条件に耐え得るという優れた効果を有する。   Since the surface-coated cutting tool of the present invention has the above-described configuration, the surface-coated cutting tool has an excellent effect of maintaining good adhesion between the substrate and the coating film and withstanding severe cutting conditions.

基材の被膜に接する側の表面近傍の断面を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cross section of the surface vicinity of the side which contact | connects the film of a base material. 基材の被膜に接する側の表面に位置する硬質粒子の断面を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cross section of the hard particle located in the surface of the side in contact with the film of a base material. 本発明の表面被覆切削工具を作製するための成膜装置の模式図である。It is a schematic diagram of the film-forming apparatus for producing the surface covering cutting tool of this invention. 基材の被膜に接する側の表面近傍の断面をSEMで観察したときの画像である。It is an image when the cross section of the surface vicinity of the side in contact with the film of a base material is observed with SEM. 基材の被膜に接する側の表面に位置する硬質粒子の断面をSEMで観察したときの画像である。It is an image when the cross section of the hard particle located in the surface of the side in contact with the film of a base material is observed with SEM.

以下、本発明について、詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明では、図面を用いて説明しているが、本願の図面において同一の参照符号を付したものは、同一部分または相当部分を示している。なおまた、本発明において、膜厚は走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)により測定し、被膜の組成はエネルギー分散型X線分析装置(EDS:Energy Dispersive x-ray Spectroscopy)により測定するものとする。   Hereinafter, the present invention will be described in detail. In the following description of the embodiments, the description is made with reference to the drawings. In the drawings of the present application, the same reference numerals denote the same or corresponding parts. In the present invention, the film thickness is measured by a scanning electron microscope (SEM), and the composition of the film is measured by an energy dispersive x-ray spectrometer (EDS). And

<表面被覆切削工具>
本発明の表面被覆切削工具は、基材とその上に形成された被膜とを備えたものである。このような基本的構成を有する本発明の表面被覆切削工具は、たとえばドリル、エンドミル、フライス加工用または旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ、またはクランクシャフトのピンミーリング加工用チップ等として極めて有用に用いることができる。
<Surface coated cutting tool>
The surface-coated cutting tool of the present invention comprises a base material and a film formed thereon. The surface-coated cutting tool of the present invention having such a basic configuration is, for example, a drill, an end mill, a milling or turning cutting edge replacement type cutting tip, a metal saw, a gear cutting tool, a reamer, a tap, or a crankshaft pin. It can be used very effectively as a chip for milling.

<基材>
本発明の表面被覆切削工具の基材としては、硬質粒子と該硬質粒子を結合する結合相とを含むものであれば、特に限定なく使用することができる。たとえば、超硬合金(たとえばWC基超硬合金、WCの他、Coを含み、あるいはさらにTi、Ta、Nb等の炭窒化物等を添加したものも含む)、サーメット(TiC、TiN、TiCN等を主成分とするもの)、立方晶型窒化硼素焼結体等をこのような基材の例として挙げることができる。上記の中でも、被膜との密着性を良好に保つという観点から、WC基超硬合金、サーメット等を用いることが好ましい。基材として超硬合金を使用する場合、そのような超硬合金は、組織中に遊離炭素やη相と呼ばれる異常相を含んでいても本発明の効果は示される。
<Base material>
The base material of the surface-coated cutting tool of the present invention can be used without particular limitation as long as it contains hard particles and a binder phase that binds the hard particles. For example, cemented carbide (for example, WC base cemented carbide, including WC, including Co, or further including carbonitride such as Ti, Ta, Nb, etc.), cermet (TiC, TiN, TiCN, etc.) As a main component), cubic boron nitride sintered bodies, and the like can be given as examples of such a substrate. Among these, from the viewpoint of maintaining good adhesion to the coating, it is preferable to use a WC-based cemented carbide, cermet or the like. When a cemented carbide is used as the base material, the effect of the present invention is exhibited even if such a cemented carbide contains an abnormal phase called free carbon or η phase in the structure.

なお、これらの基材は、その表面が改質されたものであっても差し支えない。たとえば、超硬合金の場合はその表面に脱β層が形成されていたり、サーメットの場合には表面硬化層が形成されていてもよく、このように表面が改質されていても本発明の効果は示される。   In addition, these base materials may have a modified surface. For example, in the case of cemented carbide, a de-β layer may be formed on the surface, and in the case of cermet, a surface hardened layer may be formed, and even if the surface is modified in this way, The effect is shown.

本発明において、基材を構成する硬質粒子は、基材の主成分として含まれるものであり、基材の硬度を高めるために含まれるものである。一方、結合相は、上記硬質粒子同士を結合させるために設けられるものである。超硬合金からなる基材を用いる場合、硬質粒子としてはたとえばWC、TiC、TiCN等が用いられ、結合相としてはたとえばCo、Ni等が用いられる。一方、サーメットからなる基材を用いる場合、硬質粒子としてはたとえばTiC、TiN、TiCN、WC等が用いられ、結合相としてはたとえばCo、Ni等が用いられる。   In this invention, the hard particle which comprises a base material is contained as a main component of a base material, and is contained in order to raise the hardness of a base material. On the other hand, the binder phase is provided to bond the hard particles. When using a substrate made of a cemented carbide, for example, WC, TiC, TiCN or the like is used as the hard particles, and Co, Ni or the like is used as the binder phase. On the other hand, when using a substrate made of cermet, for example, TiC, TiN, TiCN, WC or the like is used as the hard particles, and Co, Ni or the like is used as the binder phase.

本発明に用いられる基材は、その表面にマクロな凹凸が形成されているが、該凹凸とは別に、基材の表面に位置する硬質粒子の被膜側の表面にミクロな凹凸が形成されることを特徴とする。本発明において、前者のマクロな凹凸(基材表面の凹凸)を面粗度というパラメータによって規定し、後者のミクロな凹凸(硬質粒子表面の凹凸)を凹部を挟む凸部の先端を結ぶ線分の長さと該線分から凹部の最深部までの深さというパラメータによって規定する。   The substrate used in the present invention has macro unevenness formed on the surface thereof, but apart from the unevenness, micro unevenness is formed on the surface of the hard particle positioned on the surface of the substrate. It is characterized by that. In the present invention, the former macro unevenness (surface unevenness of the substrate) is defined by a parameter called surface roughness, and the latter micro unevenness (hard particle surface unevenness) is a line segment connecting the tips of the protrusions sandwiching the recesses. And the parameters of the depth from the line segment to the deepest part of the recess.

そして、前者のマクロな凹凸が基材と被膜との密着性の向上に寄与し、後者のミクロな凹凸が被膜を構成する結晶の幅Wを緻密にすることに寄与する。本発明の基材は、前者のマクロな凹凸と後者のミクロな凹凸とが組み合わせられた表面性状を備えることにより、従来技術では予測し得ないほど基材と被膜との密着性を向上させることができ、もって過酷な切削条件に耐え得る表面被覆切削工具を提供することができる。以下においては、図1を用いて、前者のマクロな凹凸(基材表面の面粗度)を説明し、図2を用いて、後者のミクロな凹凸(硬質粒子表面の凹凸)を説明する。   The former macro unevenness contributes to the improvement of the adhesion between the substrate and the film, and the latter micro unevenness contributes to the fineness of the width W of the crystals constituting the film. The base material of the present invention improves the adhesion between the base material and the film so as to be unpredictable by the prior art by providing the surface texture that combines the former macro unevenness and the latter micro unevenness. Thus, a surface-coated cutting tool that can withstand severe cutting conditions can be provided. In the following, the former macro unevenness (surface roughness of the substrate surface) will be described with reference to FIG. 1, and the latter micro unevenness (hard particle surface unevenness) will be described with reference to FIG.

<基材の表面の面粗度>
図1は、表面被覆切削工具の表面に対する法線を含む平面で切断したときの断面であって、基材の被膜に接する側の表面近傍を示す模式図である。本発明の基材は、図1に示される表面被覆切削工具の表面に対する法線を含む平面で切断したときの断面において、被膜に接する側の表面に位置する長さ50μmの基準線における面粗度Rmaxが1μm以上10μm以下であることを特徴とする。ここで、面粗度Rmaxは、基準線内の基材の凸部の最大値(最高高さ)と凹部の最小値(最低高さ)との差であり、その値が大きいほど凹凸の段差が粗いことを示す。
<Roughness of the surface of the substrate>
FIG. 1 is a schematic view showing the vicinity of the surface on the side in contact with the coating film of the substrate, which is a cross-section taken along a plane including the normal to the surface of the surface-coated cutting tool. The substrate of the present invention has a rough surface at a 50 μm long reference line located on the surface in contact with the coating film in a cross section when cut along a plane including the normal to the surface of the surface-coated cutting tool shown in FIG. The degree R max is 1 μm or more and 10 μm or less. Here, the surface roughness R max is the difference between the maximum value (maximum height) of the convex portion of the base material within the reference line and the minimum value (minimum height) of the concave portion, and the larger the value, the more uneven the surface. Indicates that the step is rough.

このような面粗度を表面に有する基材は、その上に形成される被膜との接触面積が大きくなるため、被膜との密着性を向上させることができる。基準線における面粗度Rmaxが1μm未満であると、基材と被膜との接触面積を確保することができず、十分な密着性を確保することができなくなる。10μmを超えると、基材の表面の凹凸が、その上に形成される被膜にまで影響を与え、被削材が被膜に溶着しやすくなり溶着剥離を起こしやすくなる。 Since the base material having such surface roughness on the surface has a large contact area with the coating film formed thereon, the adhesion with the coating film can be improved. When the surface roughness R max at the reference line is less than 1 μm, the contact area between the substrate and the coating cannot be ensured, and sufficient adhesion cannot be ensured. When the thickness exceeds 10 μm, the unevenness on the surface of the base material affects even the coating film formed thereon, and the work material easily adheres to the coating film and is liable to cause peeling.

基材の表面の面粗度Rmaxは、次のようにして算出する。まず、被膜の表面に対する法線を含む平面に沿って被膜および基材を切断し、その断面を機械研磨する。そして、その断面に対する垂直方向からSEMを用いて2500倍〜5000倍で観察する(図1は観察画像の模式図である)。この観察画像において、基準線内の基材の凸部の最大値と凹部の最小値との差が面粗度Rmaxとなる。 The surface roughness R max of the surface of the substrate is calculated as follows. First, the coating and the substrate are cut along a plane including a normal line to the surface of the coating, and the cross section is mechanically polished. And it observes by 2500 times-5000 times using SEM from the perpendicular | vertical direction with respect to the cross section (FIG. 1 is a schematic diagram of an observation image). In this observation image, the difference between the maximum value of the convex portion and the minimum value of the concave portion within the reference line is the surface roughness R max .

<硬質粒子表面の凹凸>
図2は、基材の被膜に接する側の表面に位置する硬質粒子の断面を示す模式図である。図2に示されるように、被膜に接する硬質粒子は、被膜に接する側の表面に凹凸が形成されており、上述の基準線における硬質粒子の凹凸を構成する凹部のうち、少なくとも1つの凹部において、該凹部を挟む両端の凸部の先端を結ぶ線分Aの長さLは、10nm以上100nm以下であり、線分Aに平行でかつ凹部の最深部に接する線分Bと、線分Aとの距離Dは、10nm以上100nm以下であることを特徴とする。このような形状の凹部を形成することにより、その上に形成される被膜を構成する結晶の幅を100nm以下の微細な構造にすることができ、もって溶着剥離や被膜の破壊が著しく生じにくくなる。上記の長さLおよび距離Dはいずれも、10nm以上50nm以下であることが好ましい。
<Unevenness on hard particle surface>
FIG. 2 is a schematic view showing a cross section of hard particles located on the surface of the base material in contact with the coating. As shown in FIG. 2, the hard particles in contact with the coating have irregularities formed on the surface in contact with the coating, and at least one of the recesses constituting the irregularities of the hard particles in the reference line described above. The length L of the line segment A connecting the tips of the convex parts at both ends sandwiching the concave part is 10 nm or more and 100 nm or less, the line segment B parallel to the line segment A and in contact with the deepest part of the concave part, and the line segment A The distance D is 10 nm or more and 100 nm or less. By forming the concave portion having such a shape, the width of the crystal constituting the coating film formed thereon can be made to be a fine structure of 100 nm or less, and therefore, it is difficult to cause welding peeling and destruction of the coating film. . Both the length L and the distance D are preferably 10 nm or more and 50 nm or less.

上記の長さLが10nm未満または100nmを超えると、被膜の結晶の幅を微細化しにくく、被削材を切削加工するときに溶着剥離や被膜を構成する結晶粒の脱落が生じやすくなる。   When the length L is less than 10 nm or more than 100 nm, it is difficult to reduce the crystal width of the film, and when the work material is cut, welding peeling or crystal grains constituting the film are liable to occur.

本発明における硬質粒子の表面に形成される凹凸の形状を示す長さLおよび距離Dは、次のようにして算出する。上述の基材表面の面粗度Rmaxを算出するときに得た断面に対し、SEMを用いて25000倍〜50000倍で観察した画像を得る。かかる画像にて観察できる任意の凹部を拡大し、その凹部を挟む凸部の先端を結んで線分Aを描き、その線分Aの長さLを測定する。そして、該線分Aに平行でかつ凹部の最深部に接する線分Bと線分Aとの距離Dを測定する。 The length L and the distance D indicating the shape of the irregularities formed on the surface of the hard particles in the present invention are calculated as follows. To the cross-section obtained when calculating the surface roughness R max of the above substrate surface, to obtain an image observed 25,000 times 50000 times using SEM. An arbitrary concave portion that can be observed in such an image is enlarged, a line segment A is drawn by connecting the tips of the convex portions sandwiching the concave portion, and the length L of the line segment A is measured. Then, a distance D between the line segment B and the line segment A that is parallel to the line segment A and in contact with the deepest part of the recess is measured.

本発明においては、硬質粒子と被膜との接触線の長さをSとし、該接触線には1または複数の所定形状の凹部が含まれ、該所定形状の凹部の長さLの和をTとすると、比T/Sは、0.1以上であることを特徴とする。ここで、「接触線」とは、表面被覆切削工具の表面に対する法線を含む平面で切断したときの断面において、硬質粒子と被膜とが接触する線状の部分をいう。比T/Sが大きいほど、硬質粒子と被膜とが接触する部分の硬質粒子の表面に凹凸が形成されていることを示す。   In the present invention, the length of the contact line between the hard particles and the coating is S, and the contact line includes one or a plurality of recesses having a predetermined shape, and the sum of the lengths L of the recesses of the predetermined shape is T Then, the ratio T / S is 0.1 or more. Here, the “contact line” refers to a linear portion where the hard particles and the coating come into contact with each other in a cross section cut along a plane including a normal line to the surface of the surface-coated cutting tool. It shows that the unevenness | corrugation is formed in the surface of the hard particle of the part which a hard particle and a film contact, so that ratio T / S is large.

このような接触線の長さSは、表面被覆切削工具の断面の画像に基づいて直接的に算出する。比T/Sの算出方法としては、まず、表面被覆切削工具の断面において、硬質粒子と被膜との接触線の長さSが1μmとなる範囲に対し、その長さSの範囲を占める部分の所定形状の凹部の個数を求め、それぞれの所定形状の凹部の長さLを加算してTを算出する。このようにして接触線の長さSに対する所定形状の凹部の長さの和Tの比T/Sを算出する。上記の比T/Sは、0.2以上であることがより好ましい。一方、比T/Sが0.1未満であると、微細な結晶の割合が低くなり、溶着剥離や被膜破壊を抑制する効果が得られにくくなるため好ましくない。   Such a contact line length S is directly calculated based on a cross-sectional image of the surface-coated cutting tool. As a method of calculating the ratio T / S, first, in the cross section of the surface-coated cutting tool, the portion occupying the range of the length S with respect to the range where the length S of the contact line between the hard particles and the coating is 1 μm. The number of recesses having a predetermined shape is obtained, and the length L of each recess having a predetermined shape is added to calculate T. In this way, the ratio T / S of the sum T of the lengths of the concave portions of the predetermined shape with respect to the length S of the contact line is calculated. The ratio T / S is more preferably 0.2 or more. On the other hand, when the ratio T / S is less than 0.1, the proportion of fine crystals is low, and it is difficult to obtain an effect of suppressing welding peeling and film breakage.

<被膜>
本発明における被膜は、基材上の全面を被覆する態様を含むとともに、部分的に被膜が形成されていない態様をも含み、さらにまた部分的に被膜の一部の積層態様が異なっているような態様をも含む。また、本発明の被膜は、その全体の膜厚が1μm以上10μm以下であることが好ましい。1μm未満であると耐摩耗性に劣る場合があり、10μmを超えると基材との密着性および耐欠損性が低下する場合がある。このような被膜の特に好ましい膜厚は2μm以上5μm以下である。また、本発明の被膜は、1層のみに限られるものではなく、2層以上積層させたものであってもよい。
<Coating>
The coating in the present invention includes a mode in which the entire surface of the substrate is coated, a mode in which the coating is not partially formed, and a part of the layered mode of the coating is partially different. This embodiment is also included. Moreover, it is preferable that the film thickness of this invention is 1 micrometer or more and 10 micrometers or less of the whole film thickness. If it is less than 1 μm, the abrasion resistance may be inferior, and if it exceeds 10 μm, the adhesion to the substrate and the fracture resistance may be reduced. A particularly preferable film thickness of such a coating is 2 μm or more and 5 μm or less. Moreover, the coating film of the present invention is not limited to only one layer, and may be a laminate of two or more layers.

本発明の被膜は、Ti、Al、Si、およびCrからなる群より選ばれる1種以上の第1元素の炭化物、窒化物、または炭窒化物を含み、該第1元素を占めるSiの原子比は、20原子%以下であることが好ましい。より好ましいSiの原子比は3原子%以上10原子%以下である。Siの原子比が20原子%を超えると、被膜の圧縮残留応力が大きくなりすぎて、被膜自体が自己破壊するため好ましくない。このような組成からなる被膜は、柱状晶の結晶組織からなるものとなる。   The coating of the present invention contains one or more carbides, nitrides, or carbonitrides of a first element selected from the group consisting of Ti, Al, Si, and Cr, and an atomic ratio of Si occupying the first element Is preferably 20 atomic% or less. A more preferable atomic ratio of Si is not less than 3 atom% and not more than 10 atom%. When the atomic ratio of Si exceeds 20 atomic%, the compressive residual stress of the film becomes too large, and the film itself is undesirably destroyed. The coating film having such a composition has a columnar crystal structure.

従来のようにSiを含まないTiNやTiAlNからなる被膜は、通常100nm以上の幅の結晶粒になりやすいが、上記のように被膜の構成成分としてSiを含むことにより、被膜を構成する結晶の幅Wを微細化することができ、もって耐熱性および耐摩耗性を向上させることができる。   Conventionally, a film made of TiN or TiAlN not containing Si is likely to have crystal grains having a width of 100 nm or more. However, by containing Si as a constituent component of the film as described above, The width W can be miniaturized, so that heat resistance and wear resistance can be improved.

上記の被膜において、結晶の幅Wは、凹部の長さLよりも小さいことが好ましい。被膜を構成する結晶の幅Wが、上記の硬質粒子の表面の凹部の長さLよりも小さくなると、基材に対する被膜の密着性を向上させることができ、もって被削材の溶着剥離や被膜を構成する粒子の脱落等を著しく発生しにくくすることができる。これによりSiを含有したために、被膜の圧縮残留応力が高くなっても、基材と被膜との密着性が低下しにくくなる。なお、上記の結晶の幅Wは、被膜の断面をSEMで観察したときに、被膜を構成する結晶粒の長手方向に対し、垂直方向に最短となる線分の長さをいうものとする。   In the above film, the width W of the crystal is preferably smaller than the length L of the recess. When the width W of the crystal constituting the coating is smaller than the length L of the concave portion on the surface of the hard particles, the adhesion of the coating to the substrate can be improved, so that the work material is welded and peeled. It is possible to remarkably make it difficult for the particles constituting the particles to fall off. Thereby, since Si was contained, even if the compressive residual stress of a film becomes high, the adhesiveness of a base material and a film becomes difficult to fall. The width W of the crystal refers to the length of the line segment that is the shortest in the vertical direction with respect to the longitudinal direction of the crystal grains constituting the film when the cross section of the film is observed with an SEM.

<製造方法>
本発明の表面被覆切削工具を作製する方法としては、表面被覆切削工具の表面に対する法線を含む平面で該表面被覆切削工具を切断した場合の断面における基材の表面の長さ50μmの基準線において、1μm以上10μm以下の面粗度Rmaxを形成する第1ステップと、被膜に接する側の基材の表面に位置する硬質粒子の表面に、凹凸を形成する第2ステップと、該基材に対し、物理的蒸着法により基材上に被膜を形成する第3ステップとを含むことを特徴とする。
<Manufacturing method>
As a method for producing the surface-coated cutting tool of the present invention, a reference line having a surface length of 50 μm in the cross section when the surface-coated cutting tool is cut along a plane including a normal line to the surface of the surface-coated cutting tool. A first step of forming a surface roughness R max of 1 μm or more and 10 μm or less, a second step of forming irregularities on the surface of the hard particles located on the surface of the substrate on the side in contact with the coating, and the substrate On the other hand, the method includes a third step of forming a film on the substrate by a physical vapor deposition method.

ここで、上記の第1ステップおよび第2ステップにおいて、基材および硬質粒子の表面に凹凸を形成する方法としては、イオンボンバード処理、化学的エッチング処理、ショットブラスト処理、およびこれらを組み合わせた処理等を挙げることができる。中でもイオンボンバード処理は、その後の被膜を形成するステップを同一の装置内で行ない得るため、基材の表面処理から被膜の成膜に至るまでの各ステップを一貫して行なうことができ、生産性の観点から最も好ましい。   Here, in the first step and the second step described above, as a method of forming irregularities on the surface of the base material and the hard particles, ion bombardment treatment, chemical etching treatment, shot blast treatment, treatment combining these, etc. Can be mentioned. In particular, the ion bombardment process can be performed in the same equipment for the subsequent film formation steps, so each step from the surface treatment of the substrate to the film formation can be performed consistently and productivity is improved. From the viewpoint of

本発明の被膜は、物理的蒸着法(PVD法)により形成されることが好ましい。これは、本発明の被膜を基材表面に成膜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あることが不可欠であり、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最適であることが見出されたからである。物理的蒸着法には、たとえばスパッタリング法、イオンプレーティング法などがあるが、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用いると、被膜を形成する前に基材表面に対して金属またはガスイオンボンバードメント処理が可能となるため、被膜と基材との密着性が格段に向上するというメリットがある。したがって、本発明の被膜は、物理的蒸着法の一種であるカソードアークイオンプレーティング法を採用して形成することが好ましい。以下においては、アークイオンプレーティング装置を用いて本発明の表面被覆切削工具を作製する各ステップを図3を参照しつつ説明する。   The coating of the present invention is preferably formed by physical vapor deposition (PVD method). This is indispensable to be a film forming process capable of forming a compound having high crystallinity in order to form the film of the present invention on the surface of the base material. As a result of examining various film forming methods, This is because it has been found that it is optimal to use physical vapor deposition. Physical vapor deposition methods include, for example, sputtering method, ion plating method, etc. Especially when using cathode arc ion plating method with high ion rate of raw material elements, it is necessary to apply to the substrate surface before forming the film. Since metal or gas ion bombardment treatment is possible, there is a merit that the adhesion between the coating and the substrate is remarkably improved. Therefore, the coating film of the present invention is preferably formed by employing a cathode arc ion plating method which is a kind of physical vapor deposition method. Below, each step which produces the surface coating cutting tool of this invention using an arc ion plating apparatus is demonstrated, referring FIG.

図3は、本発明の表面被覆切削工具を作製するための成膜装置の模式図である。図3に示される装置は、チャンバー1と、該チャンバー1に原料ガスを導入するためのガス導入口2と、原料ガスを外部に排気するためのガス排出口3とを有する。チャンバー1は、真空ポンプ(図示せず)に接続されており、ガス排出口3を通じてチャンバー1の内部の圧力を変化させることができる。   FIG. 3 is a schematic view of a film forming apparatus for producing the surface-coated cutting tool of the present invention. The apparatus shown in FIG. 3 has a chamber 1, a gas inlet 2 for introducing a source gas into the chamber 1, and a gas outlet 3 for exhausting the source gas to the outside. The chamber 1 is connected to a vacuum pump (not shown), and the pressure inside the chamber 1 can be changed through the gas discharge port 3.

また、チャンバー1内には基材5を保持するための基材ホルダー4が設けられており、この基材ホルダー4は、基材バイアス直流電源10の負極に電気的に接続されている。他方、基材バイアス直流電源10の正極はアースされ、かつチャンバー1と電気的に接続されている。チャンバー1の側壁には、アーク式蒸発源6、7が取り付けられており、アーク式蒸発源6、7はそれぞれ、可変電源である直流電源8、9の負極に接続されており、直流電源8、9の正極はアースされている。   A substrate holder 4 for holding the substrate 5 is provided in the chamber 1, and the substrate holder 4 is electrically connected to the negative electrode of the substrate bias DC power supply 10. On the other hand, the positive electrode of the substrate bias DC power supply 10 is grounded and electrically connected to the chamber 1. Arc-type evaporation sources 6 and 7 are attached to the side wall of the chamber 1. The arc-type evaporation sources 6 and 7 are connected to negative electrodes of DC power sources 8 and 9 that are variable power sources, respectively. , 9 are grounded.

<第1ステップ>
まず、基材ホルダー4に基材5をセットし、Arガスによるスパッタクリーニング(ボンバード)を兼ねた第1ステップのイオンボンバードを行なう。
<First step>
First, the base material 5 is set in the base material holder 4, and the first step of ion bombardment also serving as sputter cleaning (bombard) with Ar gas is performed.

第1ステップにおいて、基材表面の長さ50μmの基準線において、1μm以上10μm以下の面粗度Rmaxを形成する。かかる第1ステップは、基材5に対し、チャンバー1内の圧力を0.5Pa以上1.5Pa以下の比較的低圧で、−1200V以上−800V以下の比較的高いバイアス電圧を基材に維持してイオンボンバード処理することにより行なわれることが好ましい。 In the first step, a surface roughness R max of 1 μm or more and 10 μm or less is formed on a reference line having a length of 50 μm on the surface of the substrate. The first step maintains a relatively high bias voltage on the substrate 5 at a relatively low pressure of 0.5 Pa or more and 1.5 Pa or less and a pressure of −1200 V or more and −800 V or less with respect to the substrate 5. The ion bombardment treatment is preferably performed.

<第2ステップ>
続く、第2ステップにおいては、基材の被膜に接する側の表面に位置する硬質粒子の表面に凹凸を形成する。かかる第2ステップは、基材5に対し、チャンバー1内の圧力を1.5Pa以上2.5Pa以下の比較的高圧で、−800V以上−400V以下の比較的低いバイアス電圧を基材に維持してイオンボンバード処理することにより行なわれることが好ましい。
<Second step>
In the subsequent second step, irregularities are formed on the surface of the hard particles located on the surface in contact with the coating of the substrate. The second step maintains a relatively low bias voltage of −800 V or more and −400 V or less on the substrate with a relatively high pressure of 1.5 Pa or more and 2.5 Pa or less with respect to the substrate 5. The ion bombardment treatment is preferably performed.

<第3ステップ>
上記のようにして基材表面をイオンボンバード処理を行なった後に、該基材に対し、物理的蒸着法により基材上に被膜を形成する。まず、アーク式蒸発源7に被膜を構成するターゲットをセットする。ターゲットとしては、TiやCrの種々の金属単体もしくは金属化合物を用いることができる。
<Third step>
After the substrate surface is subjected to ion bombardment as described above, a film is formed on the substrate by physical vapor deposition. First, a target constituting a film is set on the arc evaporation source 7. As the target, various metal simple substances or metal compounds of Ti and Cr can be used.

被膜を構成する金属元素が2種以上である場合、アーク式蒸発源7に加えて、アーク式蒸発源6にターゲットをセットすることが好ましい。なお、図3においては、2個のアーク式蒸発源6、7を備える場合を示しているが、3個以上のアーク式蒸発源を用いてもよいことは言うまでもない。   When there are two or more metal elements constituting the coating, it is preferable to set a target on the arc evaporation source 6 in addition to the arc evaporation source 7. Although FIG. 3 shows a case where two arc evaporation sources 6 and 7 are provided, it goes without saying that three or more arc evaporation sources may be used.

上記のようにターゲットをセットした後に、アーク式蒸発源6、7に直流電流を印加するとともに、アーク式蒸発源6、7とチャンバー1との間に数十から数百V程度の電圧を印加することにより、アーク式蒸発源6、7とチャンバー1との間をアーク放電させる。そして、アーク式蒸発源6、7にセットされたターゲットを部分的に溶解し、アーク式蒸発源6、7から基材5に向けてターゲットを蒸発させる。この蒸発したターゲットが窒素ガス等の原料ガスと反応させて、基材上に被膜を形成する。   After setting the target as described above, a direct current is applied to the arc evaporation sources 6 and 7 and a voltage of about several tens to several hundreds V is applied between the arc evaporation sources 6 and 7 and the chamber 1. As a result, arc discharge is caused between the arc evaporation sources 6 and 7 and the chamber 1. Then, the targets set in the arc evaporation sources 6 and 7 are partially dissolved, and the targets are evaporated from the arc evaporation sources 6 and 7 toward the base material 5. The evaporated target reacts with a source gas such as nitrogen gas to form a film on the substrate.

被膜を被覆するときにチャンバー1内に導入する原料ガスとしては、アルゴンガス、窒素ガス、または酸素ガスの他、メタン、アセチレン、ベンゼンなどの炭化水素ガスなどが挙げられ、これらを1種以上混合して用いてもよい。   Examples of the raw material gas introduced into the chamber 1 when coating the coating include argon gas, nitrogen gas, or oxygen gas, and hydrocarbon gas such as methane, acetylene, and benzene. May be used.

以上の製造方法により作製される表面被覆切削工具は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、基材は、硬質粒子と該硬質粒子を結合する結合相とを含み、被膜に接する硬質粒子は、被膜に接する側の表面に凹凸が形成されており、表面被覆切削工具の表面に対する法線を含む平面で切断したときの断面において、基材は、被膜に接する側の表面に位置する長さ50μmの基準線における面粗度Rmaxが1μm以上10μm以下であり、基準線における硬質粒子の凹凸を構成する凹部のうち、少なくとも1つの凹部において、該凹部を挟む両端の凸部の先端を結ぶ線分Aの長さLは、10nm以上100nm以下であり、線分Aに平行でかつ凹部の最深部に接する線分Bと、線分Aとの距離Dは、10nm以上100nm以下であり、該硬質粒子と被膜との接触線の長さをSとし、接触線には1または複数の所定形状の凹部が含まれ、該所定形状の凹部の長さLの和をTとすると、比T/Sは、0.1以上である。 The surface-coated cutting tool produced by the above manufacturing method is a surface-coated cutting tool including a base material and a coating film formed on the base material, and the base material combines the hard particles and the hard particles. In the cross section when the hard particles that are in contact with the coating have a concavo-convex shape on the surface that is in contact with the coating and are cut along a plane that includes the normal to the surface of the surface-coated cutting tool, Has a surface roughness R max of 1 μm or more and 10 μm or less at a reference line of 50 μm in length located on the surface in contact with the coating, and at least one of the recesses constituting the unevenness of the hard particles in the reference line The length L of the line segment A connecting the tips of the convex parts at both ends sandwiching the concave part is 10 nm or more and 100 nm or less, the line segment B parallel to the line segment A and in contact with the deepest part of the concave part, and the line segment A The distance D to the is 10 nm or more The length of the contact line between the hard particles and the coating is S, and the contact line includes one or a plurality of concave portions of a predetermined shape. The sum of the lengths L of the concave portions of the predetermined shape is T Then, the ratio T / S is 0.1 or more.

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。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to these.

<実施例1>
本実施例の表面被覆切削工具の基材として、その材質がISO P30グレードの超硬合金であって、形状がSFKN12T3AZTNのものを用いた。基材を構成する超硬合金は、硬質粒子としてWCを含み、該硬質粒子をCoからなる結合相によって結合してなるものである。図3は、本実施例の表面被覆切削工具の作製に用いた成膜装置の模式図である。
<Example 1>
As the base material of the surface-coated cutting tool of this example, a material made of cemented carbide of ISO P30 grade and having a shape of SFKN12T3AZTN was used. The cemented carbide constituting the substrate contains WC as hard particles and is formed by bonding the hard particles with a binder phase made of Co. FIG. 3 is a schematic view of a film forming apparatus used for producing the surface-coated cutting tool of this example.

上記基材を図3の成膜装置の基材ホルダー4にセットするとともに、アーク式蒸発源7のターゲット材料にTiをセットした。そして、真空ポンプによりチャンバー1の内部の圧力を1.0×10-3Paとなるまで真空引きを行なった。これと同時に、チャンバー内のヒーター(図示せず)により、チャンバー内の温度を450℃まで昇温した。 While setting the said base material to the base material holder 4 of the film-forming apparatus of FIG. 3, Ti was set to the target material of the arc type evaporation source 7. FIG. And vacuuming was performed by the vacuum pump until the pressure inside the chamber 1 became 1.0 × 10 −3 Pa. At the same time, the temperature in the chamber was raised to 450 ° C. by a heater (not shown) in the chamber.

そして、第1ステップとして、Arガスを導入してチャンバー1の内部の圧力を1.0Paに保持し、直流電源9からDCバイアス電圧を徐々に上げながら−1200Vに維持し、イオンボンバード処理を60分間行なった。このようにして基材表面を9.4μmの面粗度Rmaxにした。 Then, as a first step, Ar gas is introduced to maintain the internal pressure of the chamber 1 at 1.0 Pa, and the DC bias voltage is gradually increased from the DC power supply 9 to be maintained at −1200 V. For a minute. In this way, the surface of the substrate was made to have a surface roughness R max of 9.4 μm.

次に、第2ステップとして、チャンバー内の圧力が2.0Paとなるようにガス導入口2からアルゴンガスを導入したとともに、DCバイアス電圧を−600Vに維持し、イオンボンバード処理を30分間行なった。このようにして基材表面に位置する硬質粒子の表面に凹凸を形成した。   Next, as a second step, argon gas was introduced from the gas inlet 2 so that the pressure in the chamber became 2.0 Pa, the DC bias voltage was maintained at −600 V, and ion bombardment was performed for 30 minutes. . In this way, irregularities were formed on the surface of the hard particles located on the substrate surface.

その後、チャンバー内の圧力が3.0Paになるようにガス導入口2から窒素ガスを導入するとともに、直流電源9からアーク式蒸発源7に100Aの電流を供給し、アーク式蒸発源7から前方向にTiイオンを蒸発させた。そして、アーク式蒸発源7に電流を供給するとともに、ガス導入口2から窒素ガスを導入し、基材バイアス直流電源10の電圧を60Vにセットし、その電圧を一定に保った。基材5の表面でTiイオンと窒素ガスとが反応することにより、基材上に3μmの厚みのTiNからなる被膜を形成した。以上のようにして、本実施例の表面被覆切削工具を作製した。   Thereafter, nitrogen gas is introduced from the gas inlet 2 so that the pressure in the chamber becomes 3.0 Pa, and a current of 100 A is supplied from the DC power source 9 to the arc evaporation source 7 to Ti ions were evaporated in the direction. And while supplying electric current to the arc type evaporation source 7, nitrogen gas was introduced from the gas inlet 2, the voltage of the base-material bias DC power supply 10 was set to 60V, and the voltage was kept constant. By reacting Ti ions and nitrogen gas on the surface of the base material 5, a film made of TiN having a thickness of 3 μm was formed on the base material. As described above, the surface-coated cutting tool of this example was produced.

<実施例2〜7および比較例1〜6>
実施例2〜7および比較例1〜6の表面被覆切削工具は、実施例1の表面被覆切削工具に対し、第1ステップおよび第2ステップのイオンボンバード処理の条件、ならびに被膜を形成するターゲット材料が、表1の「第1ステップ」、「第2ステップ」、および「被膜」の「組成」の欄に示されるように異なる他は、実施例1と同様の方法により作製した。なお、比較例1、2、および6においては、第2ステップを行なわなかった。なおまた、実施例6のように、被膜を構成する金属元素が多い場合は、図3中のアーク式蒸発源6、7の両方にターゲット材料をセットした。
<Examples 2-7 and Comparative Examples 1-6>
The surface-coated cutting tools of Examples 2 to 7 and Comparative Examples 1 to 6 are the same as the surface-coated cutting tool of Example 1 with respect to the conditions of the first step and the second step of ion bombardment treatment, and the target material for forming the coating film. However, as shown in the “Composition” column of “First Step”, “Second Step”, and “Coating” in Table 1, they were prepared in the same manner as in Example 1. In Comparative Examples 1, 2, and 6, the second step was not performed. In addition, as in Example 6, when there were many metal elements constituting the film, the target material was set in both the arc evaporation sources 6 and 7 in FIG.

なお、目的の組成からなる被膜を得るために、チャンバー1に原料ガスを供給するためのガス導入口2からは、図示していないマスフローコントローラーを介して様々な原料ガスを導入した。   In order to obtain a coating film having a target composition, various source gases were introduced from the gas inlet 2 for supplying the source gas to the chamber 1 via a mass flow controller (not shown).

<基材の表面分析>
上記のようにして作製した実施例1の表面被覆切削工具において、被膜の表面に対する法線を含む平面に沿って被膜および基材を切断し、その断面を機械研磨した。そして、その断面に対する垂直方向からSEMを用いて25000倍で観察した。実施例1の表面被覆切削工具の断面をSEMで観察した画像を図4に示す。
<Surface analysis of substrate>
In the surface-coated cutting tool of Example 1 produced as described above, the coating and the substrate were cut along a plane including the normal to the surface of the coating, and the cross section was mechanically polished. And it observed by 25000 times using SEM from the perpendicular | vertical direction with respect to the cross section. The image which observed the cross section of the surface coating cutting tool of Example 1 with SEM is shown in FIG.

図4は、基材の被膜に接する側の表面近傍の断面をSEMで観察したときの画像である。図4に示される断面において、長さ50μmの基準線における最大値と最小値との差を面粗度Rmaxとした。異なる5つの基準線で同様の方法により面粗度Rmaxを測定し、その5回の面粗度Rmaxの測定値の平均を表1の面粗度Rmaxの欄に示した。 FIG. 4 is an image when a cross section in the vicinity of the surface on the side in contact with the coating of the substrate is observed with an SEM. In the cross section shown in FIG. 4, the difference between the maximum value and the minimum value on the reference line having a length of 50 μm was defined as the surface roughness R max . In a similar manner at five different reference lines was measured surface roughness R max, exhibited an average of the measured values of the five surface roughness R max in the column of the surface roughness R max in Table 1.

次に、同断面をSEMを用いて25000倍で観察した。図5は、基材の被膜に接する側の表面に位置する硬質粒子の断面をSEMで観察したときの画像である。なお、図5においては、凹部のうちの1つを示したものである。基材の表面に位置する硬質粒子の表面の凹凸を構成する凹部のうちの任意の5つの凹部において、該凹部を挟む凸部の先端を結ぶ線分Aの長さLを求め、その5点の平均値を算出し、表1の「長さL」の欄に示した。また、線分Aに平行でかつ凹部の最深部に接する線分Bを描き、線分Aと線分Bとの距離Dを求め、その5点の平均値を算出し、表1の「距離D」の欄に示した。   Next, the same cross section was observed at 25000 times using SEM. FIG. 5 is an image obtained by observing a cross section of the hard particles located on the surface on the side in contact with the coating of the base material with an SEM. Note that FIG. 5 shows one of the recesses. Obtain the length L of the line segment A connecting the tips of the convex portions sandwiching the concave portions in any five concave portions of the concave portions constituting the irregularities on the surface of the hard particles located on the surface of the substrate. The average value was calculated and shown in the “Length L” column of Table 1. Further, a line segment B parallel to the line segment A and in contact with the deepest part of the concave portion is drawn, a distance D between the line segment A and the line segment B is obtained, and an average value of the five points is calculated. D ”column.

被膜を構成する結晶粒の幅Wとしては、同断面をSEMを用いて25000倍で観察した画像において、断面の観察で区別し得る結晶粒の長手方向に対し、垂直で最短となる線分の長さを算出し、その5回測定の平均値を表1の「結晶の幅W」の欄に示した。   The width W of the crystal grains constituting the coating is the line segment that is perpendicular and shortest to the longitudinal direction of the crystal grains that can be distinguished by observing the cross section in an image obtained by observing the same cross section at 25,000 times using an SEM. The length was calculated, and the average value of the five measurements was shown in the “Crystal width W” column of Table 1.

上記の各実施例の表面被覆切削工具の断面において、硬質粒子と前記被膜との接触線の長さSが1μmを占める範囲の所定形状の凹部の個数を算出し、そのそれぞれの所定形状の凹部の長さLを加算することによりT/Sを算出した。同様の方法で5回測定し、その平均値を表1の「比T/S」の欄に示した。   In the cross section of the surface-coated cutting tool of each of the above embodiments, the number of concave portions having a predetermined shape in a range in which the length S of the contact line between the hard particles and the coating occupies 1 μm is calculated, and the concave portions having the predetermined shapes are calculated. T / S was calculated by adding the length L. The measurement was made five times in the same manner, and the average value was shown in the column of “Ratio T / S” in Table 1.

以上の分析の結果から、各実施例で作製された表面被覆切削工具は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、基材は、硬質粒子と該硬質粒子を結合する結合相とを含み、被膜に接する硬質粒子は、被膜に接する側の表面に凹凸が形成されており、表面被覆切削工具の表面に対する法線を含む平面で切断したときの断面において、基材は、被膜に接する側の表面に位置する長さ50μmの基準線における面粗度Rmaxが1μm以上10μm以下であり、基準線における硬質粒子の凹凸を構成する凹部のうち、少なくとも1つの凹部において、該凹部を挟む両端の凸部の先端を結ぶ線分Aの長さLは、10nm以上100nm以下であり、線分Aに平行でかつ凹部の最深部に接する線分Bと、線分Aとの距離Dは、10nm以上100nm以下であり、該硬質粒子と被膜との接触線の長さをSとし、接触線には1または複数の所定形状の凹部が含まれ、該所定形状の凹部の長さLの和をTとすると、比T/Sは、0.1以上であることが確認された。 From the results of the above analysis, the surface-coated cutting tool produced in each example is a surface-coated cutting tool including a base material and a film formed on the base material, and the base material is a hard particle When the hard particles in contact with the coating have a concavo-convex surface formed on the surface in contact with the coating and are cut at a plane including the normal to the surface of the surface-coated cutting tool In the cross section, the substrate has a surface roughness R max of 1 μm or more and 10 μm or less at a reference line of 50 μm in length located on the surface on the side in contact with the coating, The length L of the line segment A connecting the tips of the convex portions at both ends sandwiching the concave portion is at least 10 nm and not more than 100 nm in at least one concave portion, and is a line segment parallel to the line segment A and in contact with the deepest portion of the concave portion The distance D between B and the line segment A is 10 nm or more and 100 nm or less, the length of the contact line between the hard particles and the coating is S, and the contact line includes one or a plurality of recesses of a predetermined shape, and the sum of the lengths L of the recesses of the predetermined shape When T is T, the ratio T / S was confirmed to be 0.1 or more.

<工具寿命の評価>
上記で作製した各実施例および各比較例の表面被覆切削工具のそれぞれについて、乾式の断続切削試験を行なうことにより工具寿命の評価を行なった。断続切削加工の条件は、SUS304を被削材として用い、切削速度120m/min、送り速度0.2mm/刃、切り込み2.0mmの条件で、基材の表面が露出するまでフライス切削加工を行なった。そして、基材露出までに切削した切削長さを下記の表2に示した。なお、切削長さが長いほど、工具寿命が長いことを示している。
<Evaluation of tool life>
The life of the tool was evaluated by performing a dry intermittent cutting test on each of the surface-coated cutting tools of each Example and Comparative Example prepared above. The intermittent cutting process was performed using SUS304 as a work material, with a cutting speed of 120 m / min, a feed rate of 0.2 mm / blade, and a cutting depth of 2.0 mm until the surface of the base material was exposed. It was. Table 2 below shows the cutting lengths cut until the substrate is exposed. Note that the longer the cutting length, the longer the tool life.

表2から明らかなように、各実施例の本発明に係る表面被覆切削工具は、各比較例の表面被覆切削工具に比し、工具寿命を向上させていることが明らかである。これは、基材と被膜との密着性が向上したことによるものと考えられる。以上により、本発明によれば表面被覆切削工具の工具寿命を向上できることを確認した。   As is clear from Table 2, it is clear that the surface-coated cutting tool according to the present invention in each example improves the tool life as compared with the surface-coated cutting tool in each comparative example. This is considered to be due to the improved adhesion between the substrate and the coating. From the above, it was confirmed that the tool life of the surface-coated cutting tool can be improved according to the present invention.

以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。   Although the embodiments and examples of the present invention have been described above, it is also planned from the beginning to appropriately combine the configurations of the above-described embodiments and examples.

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.

1 チャンバー、2 ガス導入口、3 ガス排気口、4 基材ホルダー、5 基材、6,7 アーク式蒸発源、8,9 直流電源、10 基板バイアス電源。   1 chamber, 2 gas introduction port, 3 gas exhaust port, 4 base material holder, 5 base material, 6,7 arc evaporation source, 8,9 DC power supply, 10 substrate bias power supply.

Claims (6)

基材と、該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具の製造方法であって、
前記表面被覆切削工具の表面に対する法線を含む平面で該表面被覆切削工具を切断した場合の断面における前記基材の表面の長さ50μmの基準線において、1μm以上10μm以下の面粗度Rmaxを形成する第1ステップと、
前記被膜に接する側の前記基材の表面に位置する硬質粒子の表面に、凹凸を形成する第2ステップと、
前記基材に対し、物理的蒸着法により前記基材上に前記被膜を形成する第3ステップとを含み、
前記基準線における前記硬質粒子の前記凹凸を構成する凹部のうち、少なくとも1つの凹部において、該凹部を挟む両端の凸部の先端を結ぶ線分Aの長さLは、10nm以上100nm以下であり、前記線分Aに平行でかつ凹部の最深部に接する線分Bと、前記線分Aとの距離Dは、10nm以上100nm以下であり、
前記硬質粒子と前記被膜との接触線の長さをSとし、前記接触線には1または複数の所定形状の凹部が含まれ、該所定形状の凹部の前記長さLの和をTとすると、比T/Sは、0.1以上であ
前記第1ステップおよび前記第2ステップはいずれも、イオンボンバード処理によって行なう、表面被覆切削工具の製造方法。
A method for producing a surface-coated cutting tool comprising a substrate and a coating formed on the substrate,
In the reference line length 50μm on the surface of the substrate in a cross section obtained by cutting the surface-coated cutting tool with a plane including the normal to the surface of the surface-coated cutting tool, 1 [mu] m or more 10μm or less of the surface roughness R max A first step of forming
A second step of forming irregularities on the surface of the hard particles located on the surface of the substrate on the side in contact with the coating;
To said substrate, wherein the physical vapor deposition and a third step of forming said coating on said substrate,
The length L of the line segment A connecting the tips of the convex portions at both ends sandwiching the concave portion in at least one concave portion among the concave portions constituting the concave and convex portions of the hard particles in the reference line is 10 nm or more and 100 nm or less. The distance D between the line segment A parallel to the line segment A and in contact with the deepest part of the recess and the line segment A is 10 nm or more and 100 nm or less,
If the length of the contact line between the hard particles and the coating is S, the contact line includes one or more recessed portions of a predetermined shape, and T is the sum of the lengths L of the recessed portions of the predetermined shape. , the ratio T / S is state, and are 0.1 or more,
The method for manufacturing a surface-coated cutting tool, wherein the first step and the second step are both performed by ion bombardment .
請求項1に記載の表面被覆切削工具の製造方法により製造された表面被覆切削工具であって、
基材と、該基材上に形成された被膜とを備え、
前記基材は、硬質粒子と該硬質粒子を結合する結合相とを含み、
前記被膜に接する前記硬質粒子は、前記被膜に接する側の表面に凹凸が形成されており、
前記表面被覆切削工具の表面に対する法線を含む平面で切断したときの断面において、前記基材は、前記被膜に接する側の表面に位置する長さ50μmの基準線における面粗度Rmaxが1μm以上10μm以下であり、
前記基準線における前記硬質粒子の前記凹凸を構成する凹部のうち、少なくとも1つの凹部において、該凹部を挟む両端の凸部の先端を結ぶ線分Aの長さLは、10nm以上100nm以下であり、前記線分Aに平行でかつ前記凹部の最深部に接する線分Bと、前記線分Aとの距離Dは、10nm以上100nm以下であり、
前記硬質粒子と前記被膜との接触線の長さをSとし、前記接触線には1または複数の所定形状の凹部が含まれ、該所定形状の凹部の前記長さLの和をTとすると、比T/Sは、0.1以上である、表面被覆切削工具。
A surface-coated cutting tool manufactured by the method for manufacturing a surface-coated cutting tool according to claim 1,
E Bei a base material and a coating formed on the substrate,
The substrate includes hard particles and a binder phase that binds the hard particles;
The hard particles in contact with the coating have irregularities formed on the surface in contact with the coating,
In the cross section when cut along a plane including the normal to the surface of the surface-coated cutting tool, the substrate has a surface roughness R max of 1 μm at a 50 μm long reference line located on the surface in contact with the coating. 10 μm or less,
The length L of the line segment A connecting the tips of the convex portions at both ends sandwiching the concave portion in at least one concave portion among the concave portions constituting the concave and convex portions of the hard particles in the reference line is 10 nm or more and 100 nm or less. A distance D between the line segment B parallel to the line segment A and in contact with the deepest part of the recess and the line segment A is 10 nm or more and 100 nm or less,
If the length of the contact line between the hard particles and the coating is S, the contact line includes one or more recessed portions of a predetermined shape, and T is the sum of the lengths L of the recessed portions of the predetermined shape. The surface-coated cutting tool having a ratio T / S of 0.1 or more.
前記被膜は、柱状晶の結晶組織からなり、
前記所定形状の凹部に接する前記被膜の柱状晶の結晶の幅Wは、前記所定形状の凹部の長さLよりも小さい、請求項に記載の表面被覆切削工具。
The coating consists of a columnar crystal structure,
3. The surface-coated cutting tool according to claim 2 , wherein a width W of a columnar crystal of the coating in contact with the recess having the predetermined shape is smaller than a length L of the recess having the predetermined shape.
前記長さLが、10nm以上50nm以下であり、かつ前記距離Dが10nm以上50nm以下であり、かつ前記比T/Sは0.1以上である、請求項またはに記載の表面被覆切削工具。 The surface-coated cutting according to claim 2 or 3 , wherein the length L is not less than 10 nm and not more than 50 nm, the distance D is not less than 10 nm and not more than 50 nm, and the ratio T / S is not less than 0.1. tool. 前記被膜は、Ti、Al、Si、およびCrからなる群より選ばれる1種以上の第1元素の炭化物、窒化物、または炭窒化物を含み、
前記第1元素に占めるSiの原子比は、20原子%以下である、請求項のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
The coating includes a carbide, nitride, or carbonitride of one or more first elements selected from the group consisting of Ti, Al, Si, and Cr,
The surface-coated cutting tool according to any one of claims 2 to 4 , wherein an atomic ratio of Si in the first element is 20 atomic% or less.
前記第1元素に占めるSiの原子比は、3原子%以上10原子%以下である、請求項に記載の表面被覆切削工具。 The surface-coated cutting tool according to claim 5 , wherein an atomic ratio of Si occupying the first element is 3 atomic% or more and 10 atomic% or less.
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