JP4331384B2

JP4331384B2 - Coated hard tool

Info

Publication number: JP4331384B2
Application number: JP2000164938A
Authority: JP
Inventors: 泰久橋本; 晋也今村; 治世福井; 明彦池ヶ谷
Original assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Current assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Priority date: 2000-06-01
Filing date: 2000-06-01
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2020-06-01
Also published as: JP2001341005A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被覆硬質工具に関し、具体的には、耐摩耗性の要求される切削工具やその他の耐摩工具として利用される被覆硬質合金工具の中で耐摩耗性、耐溶着性に優れる被覆硬質合金工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、切削用の工具としては、超硬合金（ＷＣ−Ｃｏ合金にＴｉ（チタン）やＴａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）の炭窒化物を添加した合金）が用いられてきた。しかし、近年の切削の高速化に伴い、超硬合金、サーメット、あるいはアルミナ系や窒化珪素系のセラミックを母材として、その表面にＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法で元素周期律表のＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属やＡｌ（アルミニウム）などの炭化物、窒化物、炭窒化物、ホウ窒化物、酸化物からなる膜を３〜２０μｍの厚さに被覆した硬質合金工具の使用割合が増大している。
【０００３】
特にＰＶＤ法による被覆は、母材強度の劣化を招かずに耐摩耗性を高め得るということから、ドリル、エンドミル、フライス用スローアウェイチップなどの強度の要求される切削工具に多用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、加工能率を一層向上させるため、切削速度がより高速になってきており、そのことに伴い工具には一層の耐摩耗性、耐酸化性が要求されるようになってきている。特に高速切削においては高温になることから母材の耐摩耗性があまり期待できなくなるため、被覆膜の耐摩耗性が非常に重要になってきている。
【０００５】
それゆえ本発明の目的は、高速切削においても良好な耐摩耗性を有する被覆硬質工具を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本願発明者らは、被覆膜の耐摩耗性の向上を達成するため、応力歪について研究した。一般に格子欠陥や転位が多く入った材料は転位の動きが制約されるため硬くなる。そこで、被覆膜に欠陥を導入すれば耐摩耗性が向上するのではないかと考えた。
【０００７】
そして、超硬合金に種々のＴｉＣＮ（炭窒化チタン）を被覆し、その被覆膜に転位や格子欠陥を導入して耐摩耗性を調べた。その結果、転位や格子欠陥が導入されると、耐摩耗性が向上することが判明した。また非常に興味深いことであるが、転位や格子欠陥が増えると被覆膜の色調も変ることが判明した。
【０００８】
ＴｉＣＮでは、一般にＣ（炭素）とＮ（窒素）との含有比が変ると色調が変化することが知られているが、本願発明者らは、切削性能の向上が見られるほど転位や格子欠陥が十分に入った場合のみ、色度ａ^*（赤方向）が０以上１０以下、色度ｂ^*（黄方向）が０以上２０以下、明度Ｌ^*が０以上１００以下となることを見出した。そのうち、特に色度ａ^*（赤方向）が０以上５以下、色度ｂ^*（黄方向）が０以上１０以下、明度Ｌ^*が１０以上５０以下のものは性能が著しく良くなることがわかった。
【０００９】
それゆえ本発明の被覆硬質工具は、母材と、母材上の最表面に形成されたＴｉＣＮからなる被覆膜とを備え、被覆膜の色調において、色度ａ^*が０以上１０以下、色度ｂ^*が０以上２０以下、明度Ｌ^*が０以上１００以下である。
【００１０】
これにより、被覆膜に十分に転位や格子欠陥が導入され、高速切削においても良好な耐摩耗性が得られる。
【００１１】
なお、色度ａ^*、色度ｂ^*および明度Ｌ^*による色の表示方法は、ＪＩＳＺ８７３０に準拠するものであり、分光測色方法により測定する場合には、ＪＩＳＺ８７２２の４．（分光測色方法）の規定により、刺激値直読方法により測定する場合には、ＪＩＳＺ８７２２の５．（刺激値直読方法）の規定による。ただし、測定に用いる光電色彩計は、計器の指示から直接Ｌ^*ａ^*ｂ^*を求めるものでもよい。
【００１２】
上記の被覆硬質工具において好ましくは、被覆膜の色調において、色度ａ^*が０以上５以下、色度ｂ^*が０以上１０以下、明度Ｌ^*が１０以上５０以下である。
【００１３】
これにより、高速切削においてより良好な耐摩耗性を得ることができる。
上記の被覆硬質工具において好ましくは、被覆膜の厚みは０．５μｍ以上１０μｍ以下である。
【００１４】
これは被覆膜の厚みが５μｍ未満では被覆の効果が少なく、１０μｍを超えると被覆膜が剥離しやすくなるからである。
【００１５】
上記の被覆硬質工具において好ましくは、母材と被覆膜との間に、ＴｉＮ（窒化チタン）、ＴｉＣ（炭化チタン）、ＺｒＮ（窒化ジルコニウム）、ＺｒＣ（炭化ジルコニウム）、ＣｒＮ（窒化クロム）およびＣｒＣ（炭化クロム）よりなる群から選ばれる１種以上からなる付着強化層がさらに備えられている。
【００１６】
これにより、被覆膜と母材との付着強度が向上するため、より高性能が期待される。
【００１７】
上記の被覆硬質工具において好ましくは、母材の材質は、Ｃｏ（コバルト）を８質量％以上１２質量％以下有している。
【００１８】
このように超硬合金として母材のＣｏ含有量を適切に選択することにより、耐摩耗性が著しく向上する。Ｃｏの含有量が８質量％未満であると、超硬合金自体の耐摩耗性が良いため、被覆の効果があまり発揮されない。一方、Ｃｏの含有量が１２質量％を超えると、母材自体が軟らかくなりすぎ、本発明のような硬い被覆膜とのヤング率が違いすぎることから膜剥離が発生し、被覆の効果が発揮されない。
【００１９】
上記の被覆硬質工具において好ましくは、母材の材質は、０．０５質量％以上１質量％以下のＣｒ（クロム）および／または０．０５質量％以上０．５質量％以下のＶ（バナジウム）を有している。
【００２０】
このように母材としての超硬合金にさらにＣｒやＶを加えることにより、性能改善の効果が顕著となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
【００２２】
図１は、本発明の一実施の形態における被覆硬質工具の部分断面図である。図１を参照して、ＴｉＣＮよりなる被覆膜１は、超硬合金よりなる母材２の表面上に形成されている。この母材２には、たとえばＷＣ−Ｃｏ合金や、この合金にＣｒやＶを添加した合金が用いられる。被覆膜１の色調において、色度ａ^*（赤方向）が０以上１０以下、色度ｂ^*（黄方向）が０以上２０以下、明度Ｌ^*が０以上１００以下である。特に色度ａ^*（赤方向）が０以上５以下、色度ｂ^*（黄方向）が０以上１０以下、明度Ｌ^*が１０以上５０以下であることが好ましい。
【００２３】
また被覆膜１の厚みは、被覆の効果および剥離防止を考慮すると、０．５μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。
【００２４】
また被覆膜１と母材２との間には、図２に示すように付着強化層３が形成されていることが好ましく、この付着強化層３は、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＺｒＮ、ＺｒＣ、ＣｒＮおよびＣｒＣのいずれかの材質よりなっていてもよく、またこれらの任意の組合せの材質よりなっていてもよい。
【００２５】
母材２の材質は、８質量％以上１２質量％以下のＣｏを有していることが好ましく、さらに０．０５質量％以上１質量％以下のＣｒおよび／または０．０５質量％以上０．５質量％以下のＶを有していることが好ましい。
【００２６】
【実施例】
以下、本発明の実施例について詳細に述べる。
【００２７】
（実験例１）
型番ＳＤＫＮ４２の形状のＩＳＯＰ３０超硬合金母材（Ｃｏを１１質量％含み、残部がＷＣである）に表２に示す各種のＴｉＣＮの被覆を施した。また、その被覆を施した各サンプルを使って合金鋼のブロックを表１の条件で切削し、切削後の各サンプルの摩耗量を測定した。その摩耗量の結果を表２に併せて示す。
【００２８】
【表１】

【００２９】
【表２】

【００３０】
表２の結果から、色度ａ^*（赤方向）が０以上１０以下、色度ｂ^*（黄方向）が０以上２０以下、明度Ｌ^*が０以上１００以下の範囲内の色調を有する本発明品のサンプル１〜５では、その範囲外の色調を有するサンプル６〜８よりも逃げ面摩耗量が少なく、耐摩耗性が高いことがわかる。さらに、色度ａ^*（赤方向）が０以上５以下、色度ｂ^*（黄方向）が０以上１０以下、明度Ｌ^*が１０以上５０以下の範囲内の色調を有するサンプル１、２および５では、その範囲外の色調を有するサンプル３および４よりもさらに高い耐摩耗性の得られることがわかる。
【００３１】
（実験例２）
次に母材と被覆膜の界面に付着強化層としてＴｉＮ、ＴｉＣ、ＺｒＮ、ＺｒＣ、ＣｒＮ、ＣｒＣ薄膜を配したことの効果を確かめる実験を行なった。その実験として、実験例１のサンプル２と同じ被覆膜と母材との界面の間に上記各付着強化層を形成したサンプル１１〜１６を作製し、実験例１と同じ条件で切削し耐摩耗性を評価した。その結果を表３に示す。
【００３２】
【表３】

【００３３】
表３の結果より、付着強化層を配置することにより、さらに逃げ面摩耗量が少なくなり、耐摩耗性が向上していることがわかる。
【００３４】
（実験例３）
次に母材の組成が違う場合の効果を確かめる実験として実験例１と同じ方法で作成したサンプルを準備し、実験例１と同じ条件で切削し耐摩耗性を評価した。その結果を表４に示す。
【００３５】
【表４】

【００３６】
なお、表４の結果には明示していないが、サンプル２２および２３は、摩耗が少ないものの、チッピングが発生しワークに傷をつけてしまうため工具として使用不能であった。
【００３７】
この結果より、母材に含有されるＣｏ量が８質量％以上１２質量％以下であれば、色調が本発明範囲内になるとともに優れた切削性能の得られることがわかる。
【００３８】
また、母材にＣｏ以外に０．０５質量％以上１質量％以下のＣｒおよび／または０．０５質量％以上０．５質量％以下のＶを添加することにより、さらに切削性能が向上することがわかる。
【００３９】
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。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の被覆硬質工具では、被覆膜の色調において、色度ａ^*が０以上１０以下、色度ｂ^*が０以上２０以下、明度Ｌ^*が０以上１００以下であるため、被覆膜に十分に転位や格子欠陥が導入され、高速切削においても良好な耐摩耗性が得られる。これにより、本発明の被覆硬質工具は、ドリル、エンドミル、フライス用スローアウェイチップ、切削用刃先交換型チップ、メタルソー、刃切り工具、リーマー、タップなどの切削工具、その表面に耐摩耗性被覆膜を形成した金属プレス加工用、金属鍛造用、ダイキャスト用、プラスチック成形用金型などに良好に適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における被覆硬質工具の部分断面図を示す図である。
【図２】本発明の一実施の形態における被覆硬質工具において被覆膜と母材との間に付着強化層を備えた構成を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１被覆膜、２母材、３付着強化層。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a coated hard tool, specifically, a coated hard alloy having excellent wear resistance and welding resistance among coated hard alloy tools used as cutting tools and other wear resistant tools that require wear resistance. It relates to alloy tools.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, cemented carbide (alloy obtained by adding carbonitride of Ti (titanium), Ta (tantalum), or Nb (niobium) to a WC-Co alloy) has been used as a cutting tool. However, with the recent increase in cutting speed, cemented carbide, cermet, or alumina-based or silicon nitride-based ceramic is used as a base material, and its surface is subjected to PVD (Physical Vapor Deposition) method IVa, Va of the periodic table of elements. The use ratio of hard alloy tools in which a film made of carbide, nitride, carbonitride, boronitride, oxide such as VIa group metal or Al (aluminum) is coated to a thickness of 3 to 20 μm is increasing. .
[0003]
In particular, the coating by the PVD method is often used for cutting tools that require strength, such as drills, end mills, and throw-away tips for milling mills, because wear resistance can be improved without causing deterioration of the base material strength.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, in order to further improve the machining efficiency, the cutting speed has been increased, and accordingly, further wear resistance and oxidation resistance have been required for tools. Particularly in high-speed cutting, the wear resistance of the base material cannot be expected so much because the temperature becomes high, so the wear resistance of the coating film has become very important.
[0005]
Therefore, an object of the present invention is to provide a coated hard tool having good wear resistance even in high-speed cutting.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The inventors of the present invention studied stress strain in order to achieve an improvement in the wear resistance of the coating film. In general, a material containing many lattice defects and dislocations becomes hard because the movement of dislocations is restricted. Therefore, it was thought that wear resistance could be improved by introducing defects in the coating film.
[0007]
Then, the cemented carbide was coated with various TiCN (titanium carbonitride), and dislocations and lattice defects were introduced into the coating film to examine the wear resistance. As a result, it was found that the wear resistance is improved when dislocations and lattice defects are introduced. It is also very interesting that the color tone of the coating film changes as the number of dislocations and lattice defects increases.
[0008]
In TiCN, it is generally known that the color tone changes when the content ratio of C (carbon) and N (nitrogen) changes. However, the inventors of the present application have found that dislocation and lattice defects are improved as the cutting performance is improved. Was found that chromaticity a ^* (red direction) was 0 or more and 10 or less, chromaticity b ^* (yellow direction) was 0 or more and 20 or less, and lightness L ^* was 0 or more and 100 or less . Among them, in particular, when the chromaticity a ^* (red direction) is 0 or more and 5 or less, the chromaticity b ^* (yellow direction) is 0 or more and 10 or less, and the lightness L ^* is 10 or more and 50 or less, the performance is remarkably improved. It was.
[0009]
The coated hard tool therefore present invention, the base material, and a coating film made of TiCN formed on the outermost surface on the base material, the color tone of the coating film, chromaticity a ^* 0 to 10 The chromaticity b ^* is 0 or more and 20 or less, and the lightness L ^* is 0 or more and 100 or less.
[0010]
Thereby, dislocations and lattice defects are sufficiently introduced into the coating film, and good wear resistance is obtained even in high-speed cutting.
[0011]
The color display method based on chromaticity a ^* , chromaticity b ^*, and lightness L ^{* is} based on JIS Z 8730. In the case of measuring by the stimulus value direct reading method according to the provision of (spectral colorimetry method), JIS Z 8722 5. According to (stimulation value direct reading method) regulations. However, the photoelectric colorimeter used for the measurement may directly obtain L ^* a ^* b ^* from the instruction of the instrument.
[0012]
In the coated hard tool described above, preferably, in the color tone of the coating film, the chromaticity a ^* is 0 or more and 5 or less, the chromaticity b ^* is 0 or more and 10 or less, and the lightness L ^* is 10 or more and 50 or less.
[0013]
Thereby, better wear resistance can be obtained in high-speed cutting.
In the above-mentioned coated hard tool, the thickness of the coating film is preferably 0.5 μm or more and 10 μm or less.
[0014]
This is because when the thickness of the coating film is less than 5 μm, the coating effect is small, and when the thickness exceeds 10 μm, the coating film is easily peeled off.
[0015]
In the above-mentioned coated hard tool, preferably, TiN (titanium nitride), TiC (titanium carbide), ZrN (zirconium nitride), ZrC (zirconium carbide), CrN (chromium nitride) and An adhesion reinforcing layer made of at least one selected from the group consisting of CrC (chromium carbide) is further provided.
[0016]
Thereby, since the adhesion strength between the coating film and the base material is improved, higher performance is expected.
[0017]
In the above-mentioned coated hard tool, the material of the base material preferably has Co (cobalt) in an amount of 8% by mass to 12% by mass.
[0018]
Thus, wear resistance is remarkably improved by appropriately selecting the Co content of the base material as a cemented carbide. If the Co content is less than 8% by mass, the wear resistance of the cemented carbide itself is good, so that the coating effect is not exhibited so much. On the other hand, if the Co content exceeds 12% by mass, the base material itself becomes too soft, and the Young's modulus is too different from that of the hard coating film as in the present invention. It is not demonstrated.
[0019]
In the above-mentioned coated hard tool, preferably, the material of the base material is 0.05 mass% or more and 1 mass% or less of Cr (chromium) and / or 0.05 mass% or more and 0.5 mass% or less of V (vanadium). have.
[0020]
Thus, the effect of performance improvement becomes remarkable by adding Cr and V further to the cemented carbide as a base material.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0022]
FIG. 1 is a partial cross-sectional view of a coated hard tool according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, coating film 1 made of TiCN is formed on the surface of base material 2 made of cemented carbide. As the base material 2, for example, a WC-Co alloy or an alloy obtained by adding Cr or V to the alloy is used. In the color tone of the coating film 1, the chromaticity a ^* (red direction) is 0 or more and 10 or less, the chromaticity b ^* (yellow direction) is 0 or more and 20 or less, and the lightness L ^* is 0 or more and 100 or less. In particular, the chromaticity a ^* (red direction) is preferably 0 or more and 5 or less, the chromaticity b ^* (yellow direction) is preferably 0 or more and 10 or less, and the lightness L ^* is preferably 10 or more and 50 or less.
[0023]
The thickness of the coating film 1 is preferably 0.5 μm or more and 10 μm or less in consideration of the effect of coating and prevention of peeling.
[0024]
Further, an adhesion strengthening layer 3 is preferably formed between the coating film 1 and the base material 2 as shown in FIG. 2, and this adhesion strengthening layer 3 is composed of TiN, TiC, ZrN, ZrC, CrN. And any material of CrC, or any combination of these materials.
[0025]
The material of the base material 2 preferably has 8% by mass or more and 12% by mass or less of Co, and further 0.05% by mass or more and 1% by mass or less of Cr and / or 0.05% by mass or more and 0.0. It is preferable to have V of 5% by mass or less.
[0026]
【Example】
Examples of the present invention will be described in detail below.
[0027]
(Experimental example 1)
Various types of TiCN coatings shown in Table 2 were applied to an ISO P30 cemented carbide base material having a shape of model number SDKN42 (containing 11 mass% Co and the balance being WC). Moreover, the block of alloy steel was cut on the conditions of Table 1 using each sample which gave the coating, and the amount of wear of each sample after cutting was measured. The results of the amount of wear are also shown in Table 2.
[0028]
[Table 1]

[0029]
[Table 2]

[0030]
From the results shown in Table 2, the chromaticity a ^* (red direction) is 0 or more and 10 or less, the chromaticity b ^* (yellow direction) is 0 or more and 20 or less, and the lightness L ^* is 0 or more and 100 or less. It can be seen that Samples 1 to 5 of the invention have less flank wear and higher wear resistance than Samples 6 to 8 having a color tone outside the range. Furthermore,

Samples

1 and 2 having a color tone in the range of chromaticity a ^* (red direction) of 0 or more and 5 or less, chromaticity b ^* (yellow direction) of 0 or more and 10 or less, and lightness L ^* of 10 or more and 50 or less, and 5 shows that higher abrasion resistance can be obtained than Samples 3 and 4 having a color tone outside the range.
[0031]
(Experimental example 2)
Next, an experiment was conducted to confirm the effect of disposing a TiN, TiC, ZrN, ZrC, CrN, CrC thin film as an adhesion strengthening layer at the interface between the base material and the coating film. As the experiment, Samples 11 to 16 in which each of the adhesion reinforcing layers is formed between the same coating film and the base material as Sample 2 of Experimental Example 1 are manufactured, and cut under the same conditions as in Experimental Example 1 Abrasion was evaluated. The results are shown in Table 3.
[0032]
[Table 3]

[0033]
From the results in Table 3, it can be seen that the amount of flank wear is further reduced and the wear resistance is improved by arranging the adhesion reinforcing layer.
[0034]
(Experimental example 3)
Next, as an experiment to confirm the effect when the composition of the base material is different, a sample prepared by the same method as in Experimental Example 1 was prepared, and was cut under the same conditions as in Experimental Example 1 to evaluate the wear resistance. The results are shown in Table 4.
[0035]
[Table 4]

[0036]
Although not clearly shown in the results of Table 4, Samples 22 and 23 were unusable as tools because chipping occurred and scratched the workpiece, although there was little wear.
[0037]
From this result, it is understood that when the amount of Co contained in the base material is 8% by mass or more and 12% by mass or less, the color tone is within the range of the present invention and excellent cutting performance is obtained.
[0038]
In addition to Co, 0.05% by mass or more and 1% by mass or less Cr and / or 0.05% by mass or more and 0.5% by mass or less V may be added to the base material to further improve cutting performance. I understand.
[0039]
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.
[0040]
【The invention's effect】
As described above, in the coated hard tool of the present invention, in the color tone of the coating film, the chromaticity a ^* is 0 or more and 10 or less, the chromaticity b ^* is 0 or more and 20 or less, and the lightness L ^* is 0 or more and 100 or less. Therefore, dislocations and lattice defects are sufficiently introduced into the coating film, and good wear resistance is obtained even in high-speed cutting. As a result, the coated hard tool of the present invention is a drill, an end mill, a throw-away tip for milling, a cutting edge replaceable tip for cutting, a metal saw, a cutting tool, a reamer, a tap and other cutting tools, and a wear-resistant coating on the surface thereof. It can be favorably applied to metal press working, metal forging, die casting, plastic molding dies and the like on which a film is formed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial sectional view of a coated hard tool according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing a configuration in which an adhesion reinforcing layer is provided between a coating film and a base material in the coated hard tool according to the embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 coating film, 2 base material, 3 adhesion strengthening layer.

Claims

With the base material,
And a coating film made of TiCN formed on the outermost surface on the base material,
A coated hard tool having a chromaticity a ^* of 0 or more and 10 or less, a chromaticity b ^* of 0 or more and 20 or less, and a lightness L ^* of 0 or more and 100 or less in the color tone of the coating film.

The coated hard tool according to claim 1, wherein in the color tone of the coating film, chromaticity a ^* is 0 or more and 5 or less, chromaticity b ^* is 0 or more and 10 or less, and lightness L ^* is 10 or more and 50 or less.

The coated hard tool according to claim 1 or 2, wherein the thickness of the coating film is 0.5 µm or more and 10 µm or less.

Any one of Claims 1-3 further equipped with the adhesion reinforcement layer which consists of 1 or more types chosen from the group which consists of TiN, TiC, ZrN, ZrC, CrN, and CrC between the said base material and the said coating film. The coated hard tool according to crab.

The coated hard tool according to any one of claims 1 to 4, wherein a material of the base material includes 8 mass% to 12 mass% of Co.

The coated hard tool according to claim 5, wherein a material of the base material includes 0.05 mass% or more and 1 mass% or less of Cr.

The coated hard tool according to claim 5 or 6, wherein a material of the base material has V of 0.05 mass% or more and 0.5 mass% or less.