JP7410385B2 - coated cutting tools - Google Patents
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Description
本発明は、基材の表面に硬質皮膜を有する被覆切削工具に関する。 The present invention relates to a coated cutting tool having a hard coating on the surface of a base material.
ＡｌとＣｒの窒化物は耐摩耗性と耐熱性に優れる膜種であり被覆切削工具に広く適用されている。一般的に、被覆切削工具に適用するＡｌとＣｒの窒化物は物理蒸着法の中でも基材との密着性に優れるアークイオンプレーティング法を用いて被覆されている。但し、アークイオンプレーティング法ではターゲット成分をアーク放電によって蒸発させて被覆するため、硬質皮膜は不可避的に数マイクロメートルのドロップレットを多く含有する。工具径が３ｍｍ以下、更には１ｍｍ以下の小径工具へ被覆した場合、工具径に対して硬質皮膜の表面に存在するドロップレットの影響が大きくなるため、加工精度および工具寿命が十分でない場合がある。また、工具への負荷が大きい使用環境下においては、硬質皮膜の内部に存在するドロップレットが起点となり、硬質皮膜の破壊が発生する場合がある。 Nitride of Al and Cr is a film type with excellent wear resistance and heat resistance, and is widely applied to coated cutting tools. Generally, Al and Cr nitrides applied to coated cutting tools are coated using arc ion plating, which has excellent adhesion to a base material among physical vapor deposition methods. However, in the arc ion plating method, the target component is evaporated and coated by arc discharge, so the hard coating inevitably contains many droplets of several micrometers in size. When coating a small diameter tool with a tool diameter of 3 mm or less, or even 1 mm or less, the droplets on the surface of the hard coating have a greater influence on the tool diameter, so machining accuracy and tool life may not be sufficient. . In addition, under a usage environment where the load on the tool is large, droplets existing inside the hard coating may become a starting point and breakage of the hard coating may occur.
一方、物理蒸着法の中でもターゲット成分をアルゴンガスでスパッタリングして被覆するスパッタリング法ではドロップレットが発生し難いため平滑な硬質皮膜が得られる。但し、スパッタリング法は、アークイオンプレーティング法に比べてターゲットのイオン化率が低い。そのため、スパッタリング法は、硬質皮膜の内部に空隙が形成され易く、硬質皮膜と基材との密着性にも乏しい傾向にある。スパッタリング法において、ターゲットのイオン化率を高める手段として、磁場バランスを意図的に崩して磁力線の一部を基材側まで延伸させたアンバランスドマグネトロンスパッタリング法が知られている。例えば、特許文献１はアンバランスドマグネトロンスパッタリング法によりＡｌとＣｒの窒化物を被覆することを開示している。 On the other hand, among physical vapor deposition methods, a sputtering method in which a target component is coated by sputtering with argon gas is less likely to generate droplets, and thus a smooth hard film can be obtained. However, the sputtering method has a lower target ionization rate than the arc ion plating method. Therefore, in the sputtering method, voids are likely to be formed inside the hard coating, and the adhesion between the hard coating and the base material tends to be poor. In the sputtering method, an unbalanced magnetron sputtering method is known as a means of increasing the ionization rate of the target, in which the magnetic field balance is intentionally disrupted to extend part of the magnetic lines of force to the base material side. For example, Patent Document 1 discloses coating nitrides of Al and Cr using an unbalanced magnetron sputtering method.
また、近年では、ターゲットに印加する電力を瞬間的に高くした高出力スパッタリング法でＡｌとＣｒの窒化物を被覆した被覆切削工具も提案されている。例えば、特許文献２に開示される成膜方法では、まず、スパッタリング法で、Ｔｉターゲットに投入する最大電力を０．１～０．２ＭＷとして基材の表面に微細なＴｉの化合物からなる中間皮膜を形成する。次いで、スパッタリング法で、ターゲットに印加する電力を４ｋＷとして中間皮膜の上のＡｌとＣｒの窒化物を被覆する。 In recent years, coated cutting tools have also been proposed in which nitrides of Al and Cr are coated using a high-power sputtering method in which the power applied to the target is instantaneously increased. For example, in the film forming method disclosed in Patent Document 2, an intermediate film made of a fine Ti compound is first formed on the surface of the base material using a sputtering method with the maximum power input to the Ti target being 0.1 to 0.2 MW. form. Next, the nitrides of Al and Cr on the intermediate film are coated by sputtering with a power applied to the target of 4 kW.
特許文献１、２に記載のように、スパッタリング法で被覆することで硬質皮膜の内部に粗大なドロップレットを含有しないＡｌとＣｒの窒化物を得ることができる。但し、スパッタリング法で被覆した硬質皮膜はアークイオンプレーティング法で被覆した硬質皮膜に比べて緻密化が十分でなく、また不可避的にＡｒを多く含有し易い。そのため、従来から提案されている、スパッタリング法のＡｌとＣｒの窒化物を被覆した被覆切削工具は、アークイオンプレーティング法のＡｌとＣｒの窒化物を被覆した被覆切削工具に比べて工具損傷が大きく、耐久性が劣る傾向にあり、改善の余地があった。 As described in Patent Documents 1 and 2, by coating by sputtering, it is possible to obtain a nitride of Al and Cr that does not contain coarse droplets inside the hard coating. However, the hard coating coated by the sputtering method is not sufficiently dense compared to the hard coating coated by the arc ion plating method, and inevitably tends to contain a large amount of Ar. Therefore, the coated cutting tools coated with Al and Cr nitrides produced by sputtering, which have been proposed in the past, are less likely to be damaged than the coated cutting tools coated with Al and Cr nitrides produced by arc ion plating. They tend to be large and have poor durability, so there is room for improvement.
本発明は上記の事情に鑑み、スパッタリング法で被覆されるＡｌとＣｒの窒化物の耐久性を高め、耐久性に優れた被覆切削工具を提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to improve the durability of Al and Cr nitrides coated by sputtering, and to provide a coated cutting tool with excellent durability.
本発明の一様態によれば、基材の表面に硬質皮膜を有する被覆切削工具であって、
前記硬質皮膜はスパッタリング皮膜であり、
前記硬質皮膜は、金属元素の総量に対して、Ａｌが５０原子％以上、Ｃｒが３０原子％以上のＡｌとＣｒの窒化物であり、金属元素と非金属元素の総量に対して、Ａｒが０．００３原子％以上０．０２原子％以下であり、
金属元素、窒素、酸素、炭素およびＡｒの合計を１００原子％とした場合の前記硬質皮膜の金属元素の原子比率Ａと窒素の原子比率Ｂとが１．０２≦Ｂ／Ａ≦１．１０の関係を満たし、
Ｘ線回折または透過型電子顕微鏡を用いた制限視野回折パターンの強度プロファイルにおいて、面心立方格子構造の（１１１）面に起因する回折ピークが最大強度を示し、
前記硬質皮膜の断面観察において、円相当径が３μｍ以上のドロップレットが１００μｍ２当たり１個未満であり、
前記硬質皮膜の表面は、ＩＳＯ２５１７８で規定される山頂点の算術平均曲率Ｓｐｃ（１／ｍｍ）の値が５０００以下である被覆切削工具が提供される。
According to one aspect of the present invention, a coated cutting tool having a hard coating on the surface of a base material,
The hard coating is a sputtering coating,
The hard coating is a nitride of Al and Cr containing 50 atomic % or more of Al and 30 atomic % or more of Cr based on the total amount of metal elements. 0.003 atomic % or more and 0.02 atomic % or less,
The atomic ratio A of the metal element and the atomic ratio B of nitrogen of the hard coating are 1.02≦B/A≦1.10 when the total of the metal elements, nitrogen, oxygen, carbon and Ar is 100 atomic %. meet the relationship,
In the intensity profile of a selected area diffraction pattern using X-ray diffraction or a transmission electron microscope, the diffraction peak due to the (111) plane of the face-centered cubic lattice structure exhibits the maximum intensity,
In cross-sectional observation of the hard coating, the number of droplets with an equivalent circle diameter of 3 μm or more is less than 1 per 100 μm 2 ,
A coated cutting tool is provided in which the surface of the hard coating has an arithmetic mean curvature Spc (1/mm) of the peak defined by ISO 25178 of 5000 or less.
本発明によれば、被覆切削工具の耐久性を高めることができる。 According to the present invention, the durability of a coated cutting tool can be improved.
本発明者は、スパッタリング法のＡｌとＣｒの窒化物について、窒素の含有比率を高め、かつ、アルゴンの含有比率を低くするとともに、硬質皮膜の表面の“尖り”をより小さくすることで、耐久性に優れる被覆切削工具になることを確認して本発明に到達した。 The present inventor has developed a method for improving durability by increasing the nitrogen content ratio and lowering the argon content ratio for sputtering Al and Cr nitrides, as well as reducing the "sharpness" on the surface of the hard film. The present invention was achieved after confirming that a coated cutting tool with excellent properties can be obtained.
以下、本発明の実施形態の詳細について説明をする。
本実施形態の被覆切削工具は、基材となる工具の表面にＡｌとＣｒの窒化物からなる硬質皮膜を有する被覆切削工具である。基材としては、切削工具用のＷＣ基超硬合金基材が用いられる。基材は、ヘッドとシャンクが一体のソリッド工具であってもよく、ヘッド交換式工具のヘッドであってもよく、ホルダに装着される切削インサートであってもよい。
Hereinafter, details of embodiments of the present invention will be described.
The coated cutting tool of this embodiment is a coated cutting tool that has a hard coating made of nitrides of Al and Cr on the surface of the tool serving as a base material. As the base material, a WC-based cemented carbide base material for cutting tools is used. The base material may be a solid tool with an integrated head and shank, the head of an exchangeable head tool, or a cutting insert mounted on a holder.
本実施形態の被覆切削工具を構成する硬質皮膜の成分組成、組織、特性、および、その製造方法等の詳細について説明をする。 The composition, structure, characteristics, and manufacturing method of the hard coating that constitutes the coated cutting tool of this embodiment will be explained in detail.
＜成分組成 アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）＞
本実施形態に係る硬質皮膜は、金属元素の総量に対して、Ａｌが５０原子％以上、Ｃｒが３０原子％以上のＡｌとＣｒの窒化物である。
ＡｌとＣｒの窒化物は耐摩耗性と耐熱性のバランスに優れる膜種であり、基材との密着性にも優れる。ＡｌとＣｒの窒化物は、特にＡｌの含有比率を大きくすることで硬質皮膜の耐熱性がより向上する。また、Ａｌの含有比率を大きくすることで、工具表面に酸化保護皮膜が形成され易くなるとともに、皮膜組織が微細になるため、溶着による硬質皮膜の摩耗が抑制され易くなる。更に、Ａｌの含有比率を大きくすることで、切削抵抗が低下する傾向にある。上述したＡｌの添加効果を十分に発揮するには、本実施形態に係る硬質皮膜は、金属元素全体を１００原子％とした場合、Ａｌの含有比率を５０原子％以上とする。更には、Ａｌの含有比率を５５原子％以上とすることが好ましい。一方、Ａｌの含有比率が大きくなり過ぎると硬質皮膜の結晶構造が六方最密充填構造（ｈｃｐ構造）となり易く、脆弱となる。そのため、本実施形態に係る硬質皮膜は、金属元素全体を１００原子％とした場合、Ａｌの含有比率を６５原子％以下とすることが好ましい。更には、Ａｌの含有比率を６０原子％以下とすることが好ましい。
<Component composition Aluminum (Al), chromium (Cr)>
The hard coating according to the present embodiment is a nitride of Al and Cr containing 50 atomic % or more of Al and 30 atomic % or more of Cr based on the total amount of metal elements.
Nitride of Al and Cr is a film type that has an excellent balance of wear resistance and heat resistance, and also has excellent adhesion to the base material. In the nitride of Al and Cr, the heat resistance of the hard coating is further improved by increasing the content ratio of Al. In addition, by increasing the content ratio of Al, it becomes easier to form an oxidation protective film on the tool surface, and since the film structure becomes finer, it becomes easier to suppress wear of the hard film due to welding. Furthermore, cutting resistance tends to decrease by increasing the Al content ratio. In order to fully exhibit the above-mentioned effect of adding Al, the hard coating according to this embodiment has an Al content ratio of 50 atomic % or more when the total metal element is 100 atomic %. Furthermore, it is preferable that the content ratio of Al is 55 atomic % or more. On the other hand, if the content ratio of Al becomes too large, the crystal structure of the hard coating tends to become a hexagonal close-packed structure (hcp structure) and becomes brittle. Therefore, in the hard coating according to the present embodiment, the content ratio of Al is preferably 65 at % or less when the total metal elements are 100 at %. Furthermore, it is preferable that the content ratio of Al is 60 atomic % or less.
本実施形態に係る硬質皮膜は、金属元素全体を１００原子％とした場合、Ｃｒの含有比率を３０原子％以上とする。これにより、硬質皮膜に優れた耐摩耗性を付与することができる。更には、Ｃｒの含有比率を３５原子％以上とすることが好ましい。一方、硬質皮膜に含有されるＣｒの含有比率が大きくなり過ぎると、上述したＡｌの含有比率を大きくする効果が得られ難い。そのため、本実施形態に係る硬質皮膜は、金属元素全体を１００原子％とした場合、Ｃｒの含有比率を４８原子％以下とすることが好ましい。更には、Ｃｒの含有比率を４５原子％以下とすることが好ましい。 In the hard coating according to this embodiment, the content ratio of Cr is 30 at % or more when the total metal elements are 100 at %. This makes it possible to impart excellent wear resistance to the hard coating. Furthermore, it is preferable that the content ratio of Cr is 35 atomic % or more. On the other hand, if the content ratio of Cr contained in the hard coating becomes too large, it is difficult to obtain the effect of increasing the content ratio of Al mentioned above. Therefore, in the hard coating according to this embodiment, the content ratio of Cr is preferably 48 at % or less when the total metal elements are 100 at %. Furthermore, it is preferable that the content ratio of Cr is 45 at % or less.
本実施形態に係る硬質皮膜の金属元素の含有比率は、鏡面加工した硬質皮膜について、電子プローブマイクロアナライザー装置（ＥＰＭＡ）を用いて測定することができる。この場合、例えば、硬質皮膜表面の鏡面加工後、直径が約１μｍの分析範囲を５点分析し、最大値と最小値を除いた３点の平均から求めることができる。 The content ratio of metal elements in the hard coating according to this embodiment can be measured using an electronic probe microanalyzer (EPMA) for the mirror-finished hard coating. In this case, for example, after mirror polishing the surface of the hard coating, five points in an analysis range having a diameter of about 1 μm are analyzed, and the value can be determined from the average of the three points excluding the maximum and minimum values.
＜アルゴン（Ａｒ）含有量＞
本実施形態に係る硬質皮膜は、金属元素と非金属元素の総量に対して、アルゴン（Ａｒ）が０．０２原子％以下である。硬質皮膜の欠陥となる粗大なドロップレットは、スパッタリング法を適用することで発生頻度を低減させることができる。一方、スパッタリング法ではアルゴンイオンを用いてターゲット成分をスパッタリングするため、スパッタリング法で被覆した硬質皮膜はアルゴンを含有し得る。とりわけ、アルゴンは結晶粒界に濃化し易く、結晶粒径が微粒になるとアルゴンの含有比率が大きくなる傾向になる。但し、アルゴンの含有比率が大きくなると、結晶粒界において粒子同士の結合力が低下する。本実施形態に係る硬質皮膜のように、ＡｌＣｒの窒化物についても、過多に含まれるアルゴンは欠陥となるため、その含有比率を一定以下にすることが有効である。具体的には、本実施形態に係る硬質皮膜は、金属元素と非金属元素の総量に対して、アルゴンが０．０２原子％以下である。本実施形態に係る硬質皮膜は、金属元素と非金属元素の総量に対して、アルゴンが０．０１原子％以下であることが好ましい。なお、硬質皮膜のアルゴンの含有比率が０．０２原子％以下あるいは０．０１原子％以下である範囲には、測定装置の検出限界により値を正確に評価することが難しい範囲が含まれる。このような微量な含有量は、アルゴンを用いていないアークイオンプレーティング法で被覆した硬質皮膜と同レベルである。本実施形態に係る硬質皮膜は、金属元素と非金属元素の総量に対して、アルゴンが０．００３原子％以上となり得る。
<Argon (Ar) content>
In the hard coating according to this embodiment, argon (Ar) is 0.02 atomic % or less with respect to the total amount of metal elements and nonmetal elements. The frequency of occurrence of coarse droplets, which become defects in the hard coating, can be reduced by applying the sputtering method. On the other hand, since the sputtering method sputters the target component using argon ions, the hard coating coated by the sputtering method may contain argon. In particular, argon tends to concentrate at grain boundaries, and as the crystal grain size becomes finer, the content ratio of argon tends to increase. However, as the content ratio of argon increases, the bonding force between particles at grain boundaries decreases. Like the hard coating according to the present embodiment, too much argon will cause defects in AlCr nitride, so it is effective to keep the content ratio below a certain level. Specifically, the hard coating according to the present embodiment contains 0.02 atomic % or less of argon based on the total amount of metal elements and nonmetal elements. In the hard coating according to this embodiment, argon is preferably 0.01 atomic % or less based on the total amount of metal elements and nonmetal elements. Note that the range in which the content ratio of argon in the hard coating is 0.02 atomic % or less or 0.01 atomic % or less includes a range in which it is difficult to accurately evaluate the value due to the detection limit of the measuring device. Such a small amount of content is on the same level as a hard coating coated by an arc ion plating method that does not use argon. In the hard coating according to the present embodiment, argon can be 0.003 at % or more based on the total amount of metal elements and nonmetal elements.
本実施形態に係る硬質皮膜のアルゴンの含有比率は、上述した金属元素の含有比率の測定と同様に、鏡面加工した硬質皮膜について、電子プローブマイクロアナライザー装置（ＥＰＭＡ）を用いて測定することができる。上述した金属元素の含有比率の測定と同様に、鏡面加工後、直径が約１μｍの分析範囲を５点分析し、最大値と最小値を除いた３点の平均から求めることができる。
本実施形態に係る硬質皮膜においては、非金属元素としては窒素以外に微量のアルゴン、酸素、炭素が含まれうる。硬質皮膜におけるアルゴンの含有比率は、金属元素と窒素、酸素、炭素、アルゴンの含有比率を１００原子％として求めることができる。
The content ratio of argon in the hard coating according to the present embodiment can be measured using an electronic probe microanalyzer (EPMA) on the mirror-finished hard coating, similar to the measurement of the content ratio of the metal elements described above. . Similarly to the measurement of the content ratio of the metal elements described above, after mirror polishing, an analysis range of approximately 1 μm in diameter is analyzed at 5 points, and the ratio can be determined from the average of the 3 points excluding the maximum and minimum values.
In the hard coating according to this embodiment, the nonmetallic elements may include trace amounts of argon, oxygen, and carbon in addition to nitrogen. The content ratio of argon in the hard coating can be determined by setting the content ratio of the metal element, nitrogen, oxygen, carbon, and argon to 100 atomic %.
＜金属元素の原子比率Ａと窒素の原子比率Ｂ＞
本実施形態に係る硬質皮膜は、金属元素と窒素、酸素、炭素、アルゴンの含有比率を１００原子％とした場合の前記硬質皮膜の金属元素の原子比率Ａと窒素の原子比率Ｂとが１．０２≦Ｂ／Ａ≦１．１０の関係を満たす。原子比率Ａ、Ｂの値は、上記した測定方法によるＥＰＭＡの測定値を用いる。硬質皮膜に微量に含まれ得る酸素、炭素、アルゴンを考慮した上で、窒素の含有比率を高めることで、硬質皮膜の耐熱性がより向上して被覆切削工具の耐久性を高めることができる。
Ｂ／Ａの値が１．０２未満であると完全な窒化物が十分に形成され難いため、硬質皮膜のミクロ組織および組成が不均一になり易く、被覆切削工具の耐久性が低下する傾向になる。また、Ｂ／Ａの値が１．１０よりも大きくなると残留圧縮応力が高くなり硬質皮膜が自己破壊を起こし易くなる。
Ｂ／Ａのより好ましい範囲は、１．０３≦Ｂ／Ａ≦１．０８である。
<Atomic ratio A of metal elements and atomic ratio B of nitrogen>
In the hard coating according to this embodiment, the atomic ratio A of the metal element and the atomic ratio B of nitrogen in the hard coating are 1. The relationship 02≦B/A≦1.10 is satisfied. For the values of the atomic ratios A and B, the values measured by EPMA according to the above-mentioned measurement method are used. By increasing the nitrogen content while taking into account the trace amounts of oxygen, carbon, and argon that may be contained in the hard coating, the heat resistance of the hard coating can be further improved and the durability of the coated cutting tool can be increased.
If the B/A value is less than 1.02, complete nitrides are difficult to form sufficiently, so the microstructure and composition of the hard coating tend to become non-uniform, and the durability of the coated cutting tool tends to decrease. Become. Moreover, when the value of B/A becomes larger than 1.10, the residual compressive stress becomes high and the hard coating tends to self-destruct.
A more preferable range of B/A is 1.03≦B/A≦1.08.
＜成分組成 酸素（Ｏ）、炭素（Ｃ）＞
本実施形態に係る硬質皮膜は窒化物であるが、微量の酸素と炭素を含有しうる。これらの元素は窒化物の中に微量な酸化物や炭化物を形成するため、硬質皮膜の靭性を低下させうる。硬質皮膜に不可避的に含有される酸素と炭素を低減することができれば、ＡｌとＣｒの窒化物の靭性を高めることができる。
本実施形態に係る硬質皮膜では、硬質皮膜に含有される微細な酸化物を極力少なくするため、酸素の含有比率を１．５原子％以下とすることが好ましい。更には、酸素の含有比率を１．０原子％以下とすることが好ましい。また、硬質皮膜に含有される微細な炭化物を極力少なくするため、炭素の含有比率を１．５原子％以下とすることが好ましい。更には、炭素の含有比率を１．０原子％以下とすることが好ましい。
酸素と炭素の含有比率は、炭素、窒素、酸素、アルゴン、金属元素の合計の含有比率を１００原子％として求めればよい。
<Component composition: oxygen (O), carbon (C)>
Although the hard coating according to this embodiment is a nitride, it may contain trace amounts of oxygen and carbon. Since these elements form trace amounts of oxides and carbides in the nitride, they can reduce the toughness of the hard coating. If oxygen and carbon that are inevitably contained in the hard coating can be reduced, the toughness of Al and Cr nitrides can be improved.
In the hard coating according to this embodiment, in order to minimize the amount of fine oxides contained in the hard coating, the oxygen content ratio is preferably 1.5 at % or less. Furthermore, it is preferable that the content ratio of oxygen is 1.0 atomic % or less. Further, in order to minimize the amount of fine carbides contained in the hard coating, it is preferable that the carbon content ratio be 1.5 at % or less. Furthermore, it is preferable that the content ratio of carbon is 1.0 atomic % or less.
The content ratio of oxygen and carbon may be determined by assuming that the total content ratio of carbon, nitrogen, oxygen, argon, and metal elements is 100 atomic %.
＜結晶構造＞
本実施形態に係る硬質皮膜は、Ｘ線回折または透過型電子顕微鏡を用いた制限視野回折パターンの強度プロファイルにおいて、面心立方格子構造（ｆｃｃ構造）の（１１１）面に起因する回折ピークが最大強度を示す。つまり、本実施形態に係る硬質皮膜は、ｆｃｃ構造が主体の結晶構造である。（１１１）面に起因する回折ピークが最大強度を示すＡｌとＣｒを主体とする窒化物を適用することで、被覆切削工具の耐久性が優れる傾向にある。
本実施形態に係る硬質皮膜は、回折パターンの強度プロファイルにおいて、ｆｃｃ構造の（１１１）面以外に、ｆｃｃ構造の（２００）面、ｆｃｃ構造の（２２０）面のピーク強度を有する。なお、本実施形態に係る硬質皮膜は、Ｘ線回折においては六方最密充填構造（ｈｃｐ構造）の回折ピークは確認されないが、透過型電子顕微鏡を用いた制限視野回折パターンの強度プロファイルにおいては、一部にｈｃｐ構造の回折ピークを有する場合がある。
<Crystal structure>
The hard coating according to this embodiment has a maximum diffraction peak due to the (111) plane of the face-centered cubic lattice structure (FCC structure) in the intensity profile of a selected area diffraction pattern using X-ray diffraction or a transmission electron microscope. Indicates strength. In other words, the hard coating according to the present embodiment has a crystal structure mainly having an FCC structure. By applying a nitride mainly composed of Al and Cr, which exhibits the maximum intensity of the diffraction peak due to the (111) plane, the durability of the coated cutting tool tends to be excellent.
The hard coating according to this embodiment has peak intensities of the (200) plane of the FCC structure and the (220) plane of the FCC structure in addition to the (111) plane of the FCC structure in the intensity profile of the diffraction pattern. In addition, in the hard coating according to this embodiment, a diffraction peak of a hexagonal close-packed structure (hcp structure) is not confirmed in X-ray diffraction, but in an intensity profile of a selected area diffraction pattern using a transmission electron microscope, Some portions may have a diffraction peak of the hcp structure.
＜ドロップレット＞
本実施形態に係る硬質皮膜は、断面観察において円相当径が３μｍ以上のドロップレットが１００μｍ２当たり１個未満である。本実施形態では、硬質皮膜に含まれるＡｒの含有比率を低くした上で、硬質皮膜の内部に含まれるドロップレットを低減する。物理蒸着法で被覆する硬質皮膜では、ドロップレットが主な物理的な欠陥となりうる。とりわけ、工具径が３ｍｍ以下、更には１ｍｍ以下の小径工具になると、工具性能に及ぼすドロップレットの影響度が大きくなるため、粗大なドロップレットの発生頻度を低減することで、被覆切削工具の耐久性を高めることができる。特に、極めて大きなドロップレットは硬質皮膜の内部に僅かに存在しても大きな破壊の起点となりうる。そのため、本実施形態においては、硬質皮膜の断面観察において、円相当径が３μｍ以上のドロップレットが１００μｍ２当たり１個未満とする。更には、断面観察において、円相当径が５μｍ以上のドロップレットが無いことが好ましい。
本実施形態においては、硬質皮膜の断面観察において、円相当径が１μｍ以上のドロップレットを１００μｍ２当たり５個以下とすることが好ましい。更には、断面観察において、円相当径が１μｍ以上のドロップレットが１００μｍ２当たり３個以下であることが好ましい。
なお、円相当径とは、断面観察において、ドロップレットの面積と同じ面積を有する真円の直径である。
<Droplet>
In the hard coating according to the present embodiment, the number of droplets with an equivalent circle diameter of 3 μm or more is less than 1 per 100 μm 2 in cross-sectional observation. In this embodiment, the content ratio of Ar contained in the hard coating is lowered, and then the droplets contained inside the hard coating are reduced. Droplets can be the main physical defect in hard coatings applied by physical vapor deposition. In particular, when it comes to small-diameter tools with tool diameters of 3 mm or less, or even 1 mm or less, the influence of droplets on tool performance increases, so by reducing the frequency of occurrence of coarse droplets, the durability of coated cutting tools can be improved. You can increase your sexuality. In particular, extremely large droplets, even if slightly present inside the hard coating, can become a starting point for major destruction. Therefore, in this embodiment, in cross-sectional observation of the hard coating, the number of droplets with an equivalent circle diameter of 3 μm or more is less than 1 per 100 μm 2 . Furthermore, in cross-sectional observation, it is preferable that there are no droplets with an equivalent circle diameter of 5 μm or more.
In this embodiment, in cross-sectional observation of the hard coating, it is preferable that the number of droplets with an equivalent circle diameter of 1 μm or more is 5 or less per 100 μm 2 . Furthermore, in cross-sectional observation, it is preferable that the number of droplets with an equivalent circle diameter of 1 μm or more is 3 or less per 100 μm 2 .
Note that the equivalent circle diameter is the diameter of a perfect circle having the same area as the droplet in cross-sectional observation.
硬質皮膜の断面観察においてドロップレットを評価するには、硬質皮膜を鏡面加工した後、収束イオンビーム法で加工して観察試料を作成する。その後、電子顕微鏡を用いて、観察試料の鏡面加工された面を５，０００～１０，０００倍で複数の視野を観察すればよい。 To evaluate droplets in cross-sectional observation of a hard coating, the hard coating is mirror-finished and then processed using a focused ion beam method to create an observation sample. Thereafter, the mirror-finished surface of the observation sample may be observed in multiple fields of view at 5,000 to 10,000 times magnification using an electron microscope.
本実施形態に係る被覆切削工具の表面は、ＩＳＯ２５１７８で規定される算術平均高さＳａを０．１μｍ以下、最大高さＳｚを２．０μｍ以下とした上で、山頂点の算術平均曲率Ｓｐｃ（１／ｍｍ）の値を５０００以下とする。
本発明者は、一般的な線評価での表面粗さである算術平均粗さＲａや、最大高さ粗さＲｚを平滑にするだけでは工具性能のばらつきが大きくなる場合があり、より広い面評価において表面粗さを制御することが重要であることを知見した。そして、本発明者は、面評価であるＩＳＯ２５１７８で規定される算術平均高さＳａと最大高さＳｚに加えて、山頂点の算術平均曲率Ｓｐｃを制御することが有効であることを見出した。ここで、山頂点の算術平均曲率Ｓｐｃとは、山の頂点が尖っている度合いの指標である。山頂点の算術平均曲率Ｓｐｃの値が小さいと、他の物体と接触する山の頂点が丸みを帯びている状態を示す。山頂点の算術平均曲率Ｓｐｃの値が大きいと、他の物体と接触する山の頂点が尖っている状態を示す。被覆切削工具の表面において、山頂点の算術平均曲率Ｓｐｃの値をより小さくすることで、逃げ面の表面の“尖り”がより小さくなり、摩耗がより抑制され易くなる。さらに、本実施形態に係る被覆切削工具の表面について、算術平均高さＳａを０．１μｍ以下、最大高さＳｚを２．０μｍ以下とすることで、表面は平滑な表面状態となる。さらに、本実施形態に係る被覆切削工具の表面について、山頂点の算術平均曲率Ｓｐｃ（１／ｍｍ）の値を５０００以下とすることで、逃げ面の表面の“尖り”がより少なくなり、摩耗が抑制され易くなる。更には、山頂点の算術平均曲率Ｓｐｃ（１／ｍｍ）の値を３０００以下とすることが好ましい。最大高さＳｚは２．０μｍ以下であることが好ましい。
このような表面状態を達成するには、スパッタリング法により、工具に硬質皮膜を被覆した後に、さらに、ウエットブラスト処理や研磨剤等を噴射して刃先処理を行うことが好ましい。
The surface of the coated cutting tool according to this embodiment has an arithmetic mean height Sa defined by ISO 25178 of 0.1 μm or less, a maximum height Sz of 2.0 μm or less, and an arithmetic mean curvature Spc ( 1/mm) is set to 5000 or less.
The inventor of the present invention found that simply smoothing the arithmetic mean roughness Ra, which is the surface roughness in general line evaluation, and the maximum height roughness Rz may result in large variations in tool performance. We found that it is important to control surface roughness during evaluation. Then, the present inventor found that it is effective to control the arithmetic mean curvature Spc of the peak in addition to the arithmetic mean height Sa and maximum height Sz defined in ISO 25178, which is surface evaluation. Here, the arithmetic mean curvature Spc of the peak of the mountain is an index of the degree to which the peak of the mountain is sharp. A small value of the arithmetic mean curvature Spc of the mountain peak indicates that the peak of the mountain that comes into contact with another object is rounded. A large value of the arithmetic mean curvature Spc of the mountain peak indicates that the peak of the mountain that contacts another object is sharp. On the surface of the coated cutting tool, by making the value of the arithmetic mean curvature Spc of the peak peak smaller, the "sharpness" of the flank surface becomes smaller and wear is more easily suppressed. Furthermore, regarding the surface of the coated cutting tool according to the present embodiment, the arithmetic mean height Sa is set to 0.1 μm or less and the maximum height Sz is set to 2.0 μm or less, so that the surface becomes smooth. Furthermore, by setting the value of the arithmetic mean curvature Spc (1/mm) of the peak peak to 5000 or less on the surface of the coated cutting tool according to the present embodiment, the "sharpness" of the flank surface is reduced, and wear is reduced. becomes more likely to be suppressed. Furthermore, it is preferable that the value of the arithmetic mean curvature Spc (1/mm) of the peak is 3000 or less. The maximum height Sz is preferably 2.0 μm or less.
In order to achieve such a surface condition, it is preferable to coat the tool with a hard film by sputtering and then further treat the cutting edge by wet blasting or by spraying an abrasive or the like.
さらに、本実施形態に係る被覆切削工具では、ＩＳＯ２５１７８で規定されるスキューネス（Ｓｓｋ）の値が－１．５以上０以下であることが好ましい。スキューネス（Ｓｓｋ）とは、高さ分布の相対性を表す指標である。硬質皮膜にドロップレットが多いと凸部が多くなり、スキューネス（Ｓｓｋ）の値が０よりも大きくなる。一方、硬質皮膜に凹部が多いと、スキューネス（Ｓｓｋ）の値が０よりも小さくなる。ドロップレットを多く有する硬質皮膜を研磨すると凸部が研磨されて、スキューネス（Ｓｓｋ）の値は０よりも小さくなるが、ドロップレットが除去されることにより大きな凹部が形成されて、スキューネス（Ｓｓｋ）の値がマイナス側に大きくなる。スキューネス（Ｓｓｋ）の値を－１．５以上０以下とすることで、表面が凹凸のより少ないより平滑な表面状態になり好ましい。また、スキューネス（Ｓｓｋ）の値を－１．０以上０以下とすることがより好ましい。このような表面状態を達成するには、スパッタリング法により、工具に硬質皮膜を被覆した後に、さらに、ウエットブラスト処理や研磨剤等を噴射して刃先処理を行うことが好ましい。
なお、これらの被覆切削工具の逃げ面の粗さは、逃げ面に形成された硬質皮膜の表面に関するものである。
Further, in the coated cutting tool according to the present embodiment, it is preferable that the value of skewness (Ssk) specified by ISO25178 is −1.5 or more and 0 or less. Skewness (Ssk) is an index representing the relativity of height distribution. If there are many droplets in the hard coating, there will be many convex parts, and the value of skewness (Ssk) will be larger than 0. On the other hand, if the hard coating has many recesses, the value of skewness (Ssk) will be smaller than 0. When a hard film with many droplets is polished, the convex parts are polished and the skewness (Ssk) value becomes smaller than 0, but as the droplets are removed, large concave parts are formed and the skewness (Ssk) The value of becomes larger on the negative side. Setting the skewness (Ssk) value to -1.5 or more and 0 or less is preferable because the surface has a smoother surface with fewer irregularities. Further, it is more preferable that the value of skewness (Ssk) is set to -1.0 or more and 0 or less. In order to achieve such a surface condition, it is preferable to coat the tool with a hard film by sputtering and then further treat the cutting edge by wet blasting or by spraying an abrasive or the like.
Note that the roughness of the flank surface of these coated cutting tools relates to the surface of the hard coating formed on the flank surface.
本実施形態に係る被覆切削工具の表面粗さは、株式会社キーエンス製の形状解析レーザ顕微鏡（ＶＫ－Ｘ２５０）を用いて、カットオフ値０．２５ｍｍ、倍率５０倍で観察して、６０μｍ×１００μｍの領域を３カ所測定し、得られた測定値の平均から求めることができる。 The surface roughness of the coated cutting tool according to this embodiment was determined to be 60 μm x 100 μm when observed using a shape analysis laser microscope (VK-X250) manufactured by Keyence Corporation at a cutoff value of 0.25 mm and a magnification of 50 times. It can be determined by measuring the area at three locations and averaging the obtained measurement values.
＜中間皮膜＞
本実施形態の被覆切削工具は、硬質皮膜の密着性をより向上させるため、必要に応じて、工具の基材と硬質皮膜との間に中間皮膜を設けてもよい。例えば、金属、窒化物、炭窒化物、炭化物のいずれかからなる層を工具の基材と硬質皮膜との間に設けてもよい。また、中間皮膜を設けずに基材の直上に硬質皮膜を設けてもよい。
<Intermediate film>
In the coated cutting tool of this embodiment, in order to further improve the adhesion of the hard coating, an intermediate coating may be provided between the base material of the tool and the hard coating, if necessary. For example, a layer made of metal, nitride, carbonitride, or carbide may be provided between the base material of the tool and the hard coating. Alternatively, a hard coating may be provided directly on the base material without providing an intermediate coating.
本実施形態に係る硬質皮膜の被覆では、３個以上のＡｌＣｒ合金ターゲットを用いて、ターゲットに順次電力を印加して、電力が印加されるターゲットが切り替わる際に、電力の印加が終了するターゲットと電力の印加を開始するターゲットの両方のターゲットに同時に電力が印加されている時間を設けるスパッタリング法を適用する。このようなスパッタリング法はターゲットのイオン化率が高い状態が被覆中に維持されて、ミクロレベルで緻密な硬質皮膜が得られるとともに、不可避的に含有されるアルゴン、酸素および炭素が少なく、窒素の含有比率が高まる傾向にある。そして、スパッタリング装置の炉内温度を４００℃以上５００℃以下として予備放電を実施し、炉内に導入する窒素ガスの流量を６０ｓｃｃｍ以上、アルゴンガスの流量を７０ｓｃｃｍ以上２００ｓｃｃｍ以下とすることが好ましい。また、炉内圧力を０．５Ｐａ～０．８Ｐａとすることが好ましい。ＡｌＣｒ合金ターゲットは、印加する電力の１周期当りの放電時間が長くなると、アーキングのリスクが高くなり成膜が安定し難い傾向にある。そのため、ＡｌＣｒ合金ターゲットに印加する電力の１周期当りの放電時間は１．０ミリ秒以下とすることが好ましい。 In the hard film coating according to the present embodiment, three or more AlCr alloy targets are used, and power is applied to the targets in sequence, and when the target to which power is applied is switched, the target to which power application ends is changed. A sputtering method is applied in which a period of time is provided during which power is simultaneously applied to both targets at which power application is started. This type of sputtering method maintains a high ionization rate of the target during coating, resulting in a hard film that is dense at the micro level. The ratio is on the rise. Preferably, preliminary discharge is carried out at a temperature in the furnace of the sputtering device of 400° C. or more and 500° C. or less, and the flow rate of nitrogen gas introduced into the furnace is 60 sccm or more and the flow rate of argon gas is 70 sccm or more and 200 sccm or less. Further, it is preferable that the pressure inside the furnace is 0.5 Pa to 0.8 Pa. For AlCr alloy targets, when the discharge time per cycle of applied power becomes long, the risk of arcing increases and film formation tends to be difficult to stabilize. Therefore, it is preferable that the discharge time per cycle of electric power applied to the AlCr alloy target is 1.0 milliseconds or less.
電力パルスの最大電力密度は、０．５ｋＷ／ｃｍ２以上とすることが好ましい。但し、ターゲットに印加する電力密度が大きくなり過ぎると成膜が安定し難い。また、電力密度が大きくなり過ぎると、スパッタリング法であってもドロップレットの発生頻度が高くなる傾向にある。そのため、電力パルスの最大電力密度は、３．０ｋＷ／ｃｍ２以下とすることが好ましく、更には、電力パルスの最大電力密度は、２．０ｋＷ／ｃｍ２以下とすることが好ましい。また、電力の印加が終了する合金ターゲットと電力の印加を開始する合金ターゲットの両方の合金ターゲットに同時に電力が印加されている時間は５マイクロ秒以上２０マイクロ秒以下とすることが、硬質皮膜の基本的な特性を高めてドロップレットを低減させるのに好ましい。 The maximum power density of the power pulse is preferably 0.5 kW/cm 2 or more. However, if the power density applied to the target becomes too high, it will be difficult to stabilize the film formation. Furthermore, if the power density becomes too high, the frequency of droplet generation tends to increase even in the sputtering method. Therefore, the maximum power density of the power pulse is preferably 3.0 kW/cm 2 or less, and more preferably the maximum power density of the power pulse is 2.0 kW/cm 2 or less. In addition, the time during which power is simultaneously applied to both the alloy target at which power application ends and the alloy target at which power application begins is 5 microseconds or more and 20 microseconds or less. Preferred for enhancing basic properties and reducing droplets.
＜工具＞
工具として、組成がＷＣ（ｂａｌ．）－Ｃｏ（８質量％）－Ｖ（０．３質量％）－Ｃｒ（０．４質量％）、硬度９４．０ＨＲＡ（ロックウェル硬さ、ＪＩＳ Ｇ ０２０２に準じて測定した値）からなる超硬合金製の刃先交換式工具（三菱日立ツール株式会社製）を準備した。
<Tools>
As a tool, the composition is WC (bal.)-Co (8% by mass)-V (0.3% by mass)-Cr (0.4% by mass), and the hardness is 94.0HRA (Rockwell hardness, according to JIS G 0202). A cemented carbide indexable tool (manufactured by Mitsubishi Hitachi Tools, Ltd.) was prepared.
本実施例１、比較例１は、スパッタ蒸発源を６機搭載できるスパッタリング装置を使用した。これらの蒸着源のうち、ＡｌＣｒ合金ターゲット３個を蒸着源として装置内に設置した。なお、寸法がΦ１６ｃｍ、厚み１２ｍｍのターゲットを用いた。
工具をスパッタリング装置内のサンプルホルダーに固定し、工具にバイアス電源を接続した。なお、バイアス電源は、ターゲットとは独立して工具に負のバイアス電圧を印加する構造となっている。工具は、毎分２回転で自転しかつ、固定治具とサンプルホルダーを介して公転する。工具とターゲット表面との間の距離は１００ｍｍとした。
導入ガスは、Ａｒ、およびＮ２を用い、スパッタリング装置に設けられたガス供給ポートから導入した。
In Example 1 and Comparative Example 1, a sputtering apparatus capable of mounting six sputter evaporation sources was used. Among these vapor deposition sources, three AlCr alloy targets were installed in the apparatus as vapor deposition sources. Note that a target with dimensions of Φ16 cm and thickness of 12 mm was used.
The tool was fixed to a sample holder in the sputtering apparatus, and a bias power source was connected to the tool. Note that the bias power supply has a structure that applies a negative bias voltage to the tool independently of the target. The tool rotates at two revolutions per minute and revolves around the fixture and sample holder. The distance between the tool and the target surface was 100 mm.
The introduced gases were Ar and N 2 and were introduced from a gas supply port provided in the sputtering apparatus.
＜ボンバード処理＞
まず工具に硬質皮膜を被覆する前に、以下の手順で工具にボンバード処理を行った。スパッタリング装置内のヒーターにより炉内温度が４５０℃になった状態で３０分間の加熱を行った。その後、スパッタリング装置の炉内を真空排気し、炉内圧力を５．０×１０－３Ｐａ以下とした。そして、Ａｒガスをスパッタリング装置の炉内に導入し、炉内圧力を０．８Ｐａに調整した。そして、工具に－２００Ｖの直流バイアス電圧を印加して、Ａｒイオンによる工具のクリーニング（ボンバード処理）を実施した。
<Bombard treatment>
First, before coating the tool with a hard coating, the tool was bombarded using the following procedure. Heating was performed for 30 minutes with the furnace temperature at 450° C. using the heater in the sputtering device. Thereafter, the inside of the furnace of the sputtering apparatus was evacuated to reduce the inside pressure to 5.0×10 −3 Pa or less. Then, Ar gas was introduced into the furnace of the sputtering apparatus, and the pressure inside the furnace was adjusted to 0.8 Pa. Then, a DC bias voltage of -200V was applied to the tool, and the tool was cleaned (bombarded) with Ar ions.
＜硬質皮膜の被覆＞
次いで、以下の手順でＡｌＣｒの窒化物を工具上に被覆した。
炉内温度を４５０℃に保持したまま、そして、スパッタリング装置の炉内にＡｒガスを１６０ｓｃｃｍで導入し、その後、Ｎ２ガスを１９０ｓｃｃｍで導入して炉内圧力を０．７Ｐａとした。工具に－４０Ｖの直流バイアス電圧を印加して、そして、ＡｌＣｒ合金ターゲットに印加される電力の１周期当りの放電時間を０．５ミリ秒、電力が印加される合金ターゲットが切り替わる際に、電力の印加が終了する合金ターゲットと電力の印加を開始する合金ターゲットの両方の合金ターゲットに同時に電力が印加されている時間を１０マイクロ秒として、３個のＡｌＣｒ合金ターゲットに連続的に電力を印加して、工具の表面に約２．０μｍの硬質皮膜を被覆した。このとき、電力パルスの最大電力密度は、１．０ｋＷ／ｃｍ２、平均電力密度は０．２ｋＷ／ｃｍ２とした。
本実施例１は硬質皮膜を被覆後に研磨剤を約６０秒間噴射して刃先処理を行った。
比較例１は硬質皮膜を被覆後に刃先処理を行わなかった。
<Hard film coating>
Next, AlCr nitride was coated on the tool using the following procedure.
Ar gas was introduced at 160 sccm into the furnace of the sputtering apparatus while the furnace temperature was maintained at 450° C., and then N 2 gas was introduced at 190 sccm to bring the furnace pressure to 0.7 Pa. A DC bias voltage of -40V was applied to the tool, and the discharge time per period of the power applied to the AlCr alloy target was 0.5 milliseconds, and the power was changed as the alloy target to which the power was applied was switched. Power was continuously applied to the three AlCr alloy targets, with the time during which power was simultaneously applied to both the alloy target at which the application of power ended and the alloy target at which power application began being applied at the same time being 10 microseconds. The surface of the tool was coated with a hard film of about 2.0 μm. At this time, the maximum power density of the power pulse was 1.0 kW/cm 2 and the average power density was 0.2 kW/cm 2 .
In Example 1, the cutting edge was treated by spraying an abrasive for about 60 seconds after coating with the hard film.
In Comparative Example 1, no cutting edge treatment was performed after coating with the hard film.
比較例２はアークイオンプレーティング装置を使用した。ＡｌＣｒ合金ターゲットを蒸着源として装置内に設置した。なお、寸法がΦ１０５ｍｍ、厚み１６ｍｍのターゲットを用いた。本実施例１と同様に、Ａｒイオンによる工具のクリーニング（ボンバード処理）を実施した。次いで、アークイオンプレーティング装置の炉内圧力を５．０×１０－３Ｐａ以下に真空排気して、炉内温度を５００℃とし、炉内圧力が５．０ＰａになるようにＮ２ガスを導入した。次いで、工具に－１５０Ｖの直流バイアス電圧を印加して、ＡｌＣｒ合金ターゲットに１５０Ａの電流を印可して、工具の表面に約２．０μｍの硬質皮膜を被覆した。
比較例２は硬質皮膜を被覆後に研磨剤を約６０秒間噴射して刃先処理を行った。
Comparative Example 2 used an arc ion plating device. An AlCr alloy target was installed in the apparatus as a deposition source. Note that a target with dimensions of Φ105 mm and thickness of 16 mm was used. As in Example 1, the tool was cleaned (bombarded) using Ar ions. Next, the furnace pressure of the arc ion plating apparatus was evacuated to 5.0×10 -3 Pa or less, the furnace temperature was set to 500°C, and N 2 gas was introduced so that the furnace pressure was 5.0 Pa. Introduced. Next, a DC bias voltage of −150 V was applied to the tool, and a current of 150 A was applied to the AlCr alloy target to coat the surface of the tool with a hard film of about 2.0 μm.
In Comparative Example 2, the cutting edge was treated by spraying an abrasive for about 60 seconds after coating with the hard film.
＜皮膜組成＞
硬質皮膜の皮膜組成は、電子プローブマイクロアナライザー装置（株式会社日本電子製 ＪＸＡ－８５００Ｆ）を用いて、付属の波長分散型電子プローブ微小分析（ＷＤＳ－ＥＰＭＡ）で硬質皮膜の皮膜組成を測定した。物性評価用のボールエンドミルを鏡面加工して、加速電圧１０ｋＶ、照射電流５×１０－８Ａ、取り込み時間１０秒とし、分析領域が直径１μｍの範囲を５点測定し、最大値と最小値を除いた３点の平均値から硬質皮膜の組成を求めた。
<Film composition>
The film composition of the hard film was measured using an electron probe microanalyzer device (JXA-8500F manufactured by JEOL Ltd.) with attached wavelength dispersive electron probe microanalysis (WDS-EPMA). A ball end mill for physical property evaluation was mirror-finished, and the acceleration voltage was 10 kV, the irradiation current was 5 × 10 -8 A, and the acquisition time was 10 seconds. Measurements were made at 5 points in an analysis area of 1 μm in diameter, and the maximum and minimum values were calculated. The composition of the hard coating was determined from the average value of the three points excluded.
＜結晶構造・結晶粒径＞
硬質皮膜の結晶構造は、Ｘ線回折装置（株式会社ＰａＮａｌｙｔｉｃａｌ製 ＥＭＰＹＲＥＡ）を用い、管電圧４５ｋＶ、管電流４０ｍＡ、Ｘ線源Ｃｕｋα（λ＝０．１５４０５ｎｍ）、２θが２０度～８０度の測定条件で確認を行った。また、硬質皮膜の最大の回折ピーク強度から半価幅を測定した。また、硬質皮膜の（２００）面の回折ピーク強度をＩ（２００）、硬質皮膜の（１１１）面の回折ピーク強度をＩ（１１１）とした場合、Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）を算出した。
<Crystal structure/crystal grain size>
The crystal structure of the hard coating was measured using an X-ray diffraction device (EMPYREA manufactured by PaNalytical Co., Ltd.) at a tube voltage of 45 kV, a tube current of 40 mA, an X-ray source Cukα (λ = 0.15405 nm), and a 2θ angle of 20 degrees to 80 degrees. We checked the conditions. Further, the half width was measured from the maximum diffraction peak intensity of the hard coating. Also, if the diffraction peak intensity of the (200) plane of the hard coating is I(200) and the diffraction peak intensity of the (111) plane of the hard coating is I(111), calculate I(111)/I(200). did.
＜表面粗さ＞
逃げ面を被覆する硬質皮膜における算術平均高さＳａ、最大高さＳｚ、スキューネス（Ｓｓｋ）および山頂点の算術平均曲率Ｓｐｃ（１／ｍｍ）は、ＩＳＯ２５１７８に規定に準拠して、株式会社キーエンス製の形状解析レーザ顕微鏡（ＶＫ－Ｘ２５０）を用いて、カットオフ値０．２５ｍｍ、倍率５０倍で観察して、６０μｍ×１００μｍの領域を３カ所測定し、得られた測定値の平均から求めた。
<Surface roughness>
The arithmetic mean height Sa, maximum height Sz, skewness (Ssk), and arithmetic mean curvature Spc (1/mm) of the apex of the hard coating covering the flank face are determined by Keyence Corporation in accordance with the provisions of ISO25178. Using a shape analysis laser microscope (VK-X250), observation was made at a cutoff value of 0.25 mm and a magnification of 50 times, and an area of 60 μm x 100 μm was measured at three locations, and it was determined from the average of the obtained measurement values. .
＜切削試験＞
作製した被覆切削工具を用いて切削試験を行った。表１に分析結果および切削試験結果を示す。切削条件は以下の通りである。
＜切削試験＞
（条件）乾式加工
・工具：２枚刃超硬ボールエンドミル
・型番：ＥＰＤＢＥ２０１０－６、工具半径０．５ｍｍ
・切削方法：底面切削
・被削材：ＳＴＡＶＡＸ（５２ＨＲＣ）（Ｂｏｈｌｅｒ Ｕｄｄｅｈｏｌｍ株式会社製）
・切り込み：軸方向０．０４ｍｍ、径方向０．０４ｍｍ
・切削速度：７５．４ｍ／ｍｉｎ
・一刃送り量：０．０１８ｍｍ／刃
・切削距離：１５ｍ
・評価方法：切削加工後、走査電子顕微鏡を用いて観察倍率１０００倍で観察し、工具と被削材が擦過した幅を測定し、そのうちの擦過幅が最も大きかった部分を最大摩耗幅とした。各試料について、皮膜特性および皮膜組織を観察した。皮膜特性および切削評価の結果を表１に示す。
<Cutting test>
A cutting test was conducted using the prepared coated cutting tool. Table 1 shows the analysis results and cutting test results. The cutting conditions are as follows.
<Cutting test>
(Conditions) Dry processing / Tool: 2-flute carbide ball end mill / Model number: EPDBE2010-6, tool radius 0.5mm
・Cutting method: Bottom cutting ・Work material: STAVAX (52HRC) (manufactured by Bohler Uddeholm Co., Ltd.)
・Cut: 0.04mm in axial direction, 0.04mm in radial direction
・Cutting speed: 75.4m/min
・Single blade feed rate: 0.018mm/blade ・Cutting distance: 15m
・Evaluation method: After cutting, the material was observed using a scanning electron microscope at a magnification of 1000 times, and the width of the friction between the tool and the workpiece was measured, and the part where the friction width was the largest was defined as the maximum wear width. . The film characteristics and film structure of each sample were observed. Table 1 shows the film characteristics and cutting evaluation results.
本実施例１、比較例１はスパッタリング法で被覆しているが、アークイオンプレーティング法で被覆した比較例２と同様に、硬質皮膜はアルゴンを殆ど含有していなかった。また、図１に示すように、本実施例１は硬質皮膜に含まれる円相当径が1μｍ以上の粗大なドロップレットは殆ど観察されなかった。実施例１では、硬質皮膜に含まれる円相当径が３μｍ以上のドロップレットは、１００μｍ２当たり１個未満であった。比較例１についても、硬質皮膜内に粗大なドロップレットは殆ど観察されなかった。
図２に示すように、本実施例１の加工後の損傷状態は、比較例１、２に比べて最大摩耗幅が小さくなり、かつ、工具摩耗の偏りもより少ない安定した工具損傷状態であった。本実施例１はドロップレットが発生しにくいスパッタリング法で被覆後に、研磨剤を噴霧して平滑化したことで、算術平均曲率Ｓｐｃ（１／ｍｍ）の値が小さく、これにより工具損傷状態が安定したと推定される。
比較例２は、アークイオンプレーティング法で被覆したため、硬質皮膜の表面に粗大なドロップレットが多くあった。そのため、本実施例１と同様に研磨剤を噴霧して平滑化しても、本実施例１に比べて算術平均曲率Ｓｐｃ（１／ｍｍ）の値が大きくなった。これにより本実施例１に比べて最大摩耗幅が大きくなったと推定される。
Although Example 1 and Comparative Example 1 were coated by sputtering, the hard coatings contained almost no argon, similar to Comparative Example 2 which was coated by arc ion plating. Furthermore, as shown in FIG. 1, in Example 1, coarse droplets with an equivalent circle diameter of 1 μm or more were hardly observed in the hard coating. In Example 1, the number of droplets with an equivalent circle diameter of 3 μm or more contained in the hard coating was less than 1 per 100 μm 2 . Also in Comparative Example 1, almost no coarse droplets were observed within the hard coating.
As shown in Fig. 2, the damage state after machining in Example 1 was a stable tool damage state with a smaller maximum wear width and less uneven tool wear than in Comparative Examples 1 and 2. Ta. In Example 1, the arithmetic mean curvature Spc (1/mm) was small, and the tool damage condition was stabilized by coating with a sputtering method that is less likely to generate droplets and then smoothing it by spraying an abrasive. It is estimated that
In Comparative Example 2, since the coating was performed using the arc ion plating method, there were many coarse droplets on the surface of the hard coating. Therefore, even if the abrasive was sprayed and smoothed as in Example 1, the value of the arithmetic mean curvature Spc (1/mm) was larger than in Example 1. It is estimated that this resulted in the maximum wear width being larger than in Example 1.
Claims (1)
前記硬質皮膜はスパッタリング皮膜であり、
前記硬質皮膜は、金属元素の総量に対して、Ａｌが５０原子％以上、Ｃｒが３０原子％以上のＡｌとＣｒの窒化物であり、金属元素と非金属元素の総量に対して、Ａｒが０．００３原子％以上０．０２原子％以下であり、
金属元素、窒素、酸素、炭素およびＡｒの合計を１００原子％とした場合の前記硬質皮膜の金属元素の原子比率Ａと窒素の原子比率Ｂとが１．０２≦Ｂ／Ａ≦１．１０の関係を満たし、
Ｘ線回折または透過型電子顕微鏡を用いた制限視野回折パターンの強度プロファイルにおいて、面心立方格子構造の（１１１）面に起因する回折ピークが最大強度を示し、
前記硬質皮膜の断面観察において、円相当径が３μｍ以上のドロップレットが１００μｍ２当たり１個未満であり、
前記硬質皮膜の表面は、ＩＳＯ２５１７８で規定される山頂点の算術平均曲率Ｓｐｃ（１／ｍｍ）の値が５０００以下である、被覆切削工具。 A coated cutting tool having a hard coating on the surface of a base material,
The hard coating is a sputtering coating,
The hard coating is a nitride of Al and Cr containing 50 atomic % or more of Al and 30 atomic % or more of Cr based on the total amount of metal elements. 0.003 atomic % or more and 0.02 atomic % or less,
The atomic ratio A of the metal element and the atomic ratio B of nitrogen of the hard coating are 1.02≦B/A≦1.10 when the total of the metal elements, nitrogen, oxygen, carbon and Ar is 100 atomic %. meet the relationship,
In the intensity profile of a selected area diffraction pattern using X-ray diffraction or a transmission electron microscope, the diffraction peak due to the (111) plane of the face-centered cubic lattice structure exhibits the maximum intensity,
In cross-sectional observation of the hard coating, the number of droplets with an equivalent circle diameter of 3 μm or more is less than 1 per 100 μm 2 ,
A coated cutting tool in which the surface of the hard coating has an arithmetic mean curvature Spc (1/mm) of the peak defined by ISO 25178 of 5000 or less.
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