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JP7567611B2 - Ceramic-based surface-coated cutting tools - Google Patents
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JP7567611B2 - Ceramic-based surface-coated cutting tools - Google Patents

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Description

この発明は、鋳鉄の超高速ミーリング加工において、長期の使用にわたって優れた耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性、耐摩耗性を発揮するセラミックス基表面被覆切削工具に関するものである。 This invention relates to a ceramic-based surface-coated cutting tool that exhibits excellent chipping resistance, fracture resistance, peeling resistance, and wear resistance over long periods of use in ultra-high speed milling of cast iron.

従来、一般に、炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成された基体の表面に、Ti化合物層からなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具が知られている。 Conventionally, surface-coated cutting tools have been known in which a hard coating layer made of a Ti compound layer is formed by vapor deposition on the surface of a substrate made of tungsten carbide-based cemented carbide or titanium carbonitride-based cermet.

例えば、特許文献1には、高熱発生を伴うとともに大きな熱衝撃を受ける高速ミーリング切削加工において、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具を提供するために、炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成された工具基体の表面に、
(a)0.1~2μmの平均層厚を有するTiの窒化物層からなる下部層、
(b)微粒縦長成長結晶組織を有し、0.5~3μmの一層平均層厚を有するTiの炭化物層と、
Tiの炭化物層、窒化物層および炭窒化物層のうちの1層または2層以上からなり、0.2~1μmの一層平均層厚を有する粒状結晶組織のTi化合物層、
との交互積層構造からなる3~10μmの合計平均層厚を有する中間層、
(c)0.5~5μmの平均層厚を有する酸化アルミニウム層、
上記(a)~(c)で構成された硬質被覆層が4~15μmの合計平均層厚で形成されてなることを特徴とする表面被覆切削工具が提案されている。
そして、この表面被覆切削工具によれば、特に、交互積層からなる中間層が熱亀裂を増加させ、クラックの開放する応力を低減させるとともに、クラックの進展・伝播を遅らせる作用を有するため、高熱発生を伴い大きな衝撃を受ける鋼や鋳鉄の高速ミーリング切削に用いた場合、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を生じることなく、長期の使用にわたって、すぐれた耐摩耗性を発揮し、被覆工具の長寿命化が達成されるとされている。
For example, in Patent Document 1, in order to provide a surface-coated cutting tool in which a hard coating layer exhibits excellent chipping resistance and wear resistance in high-speed milling cutting work accompanied by high heat generation and large thermal shock, the following is provided on the surface of a tool substrate made of a tungsten carbide-based cemented carbide or a titanium carbonitride-based cermet:
(a) a lower layer consisting of a Ti nitride layer having an average layer thickness of 0.1 to 2 μm;
(b) a Ti carbide layer having a fine-grained longitudinally grown crystal structure and an average layer thickness of 0.5 to 3 μm;
a Ti compound layer having a granular crystal structure, which is composed of one or more layers selected from a Ti carbide layer, a Ti nitride layer and a Ti carbonitride layer, and has an average layer thickness of 0.2 to 1 μm;
an intermediate layer having a total average layer thickness of 3 to 10 μm and consisting of an alternating laminate structure;
(c) an aluminum oxide layer having an average layer thickness of 0.5 to 5 μm;
There has been proposed a surface-coated cutting tool characterized in that the hard coating layer composed of the above (a) to (c) is formed to a total average layer thickness of 4 to 15 μm.
In particular, the intermediate layer of this surface-coated cutting tool, which is made of alternating laminations, has the effect of increasing thermal cracking, reducing the stress at which the cracks open, and slowing the progression and propagation of the cracks. Therefore, when used for high-speed milling of steel or cast iron, which generates high heat and is subjected to large impacts, the tool exhibits excellent wear resistance over long periods of use without suffering abnormal damage such as chipping, fracture, or peeling, and thus achieves a long service life for the coated tool.

また、特許文献2には、通常の連続切削、断続切削、重切削に供した場合でも、硬質被覆層に欠けやチッピング発生がなく、長期にわたってすぐれた切削性能を発揮する表面被覆切削工具を提供するために、炭化ケイ素、酸化ジルコニウム及び酸化アルミニウムからなる酸化アルミニウム基セラミックス基体の表面に、Ti、Zr及びHfのうちの少なくとも1種の化合物からなる中間被覆層を形成し、この中間被覆層の表面に酸化アルミニウム層からなる硬質被覆層を形成した表面被覆酸化アルミニウム基セラミックス製切削工具が提案されている。
そして、このセラミックス製切削工具によれば、中間被覆層が、セラミックス基体から酸化アルミニウム層へのSi成分の拡散が阻止されることで、酸化アルミニウムの粒成長が抑制され、細粒組織を維持されるために、鋳鉄等の切削加工において、欠けやチッピング発生がなく、すぐれた切削性能が長期に亘って発揮されるとされている。
Furthermore, Patent Document 2 proposes a surface-coated cutting tool made of an aluminum oxide-based ceramic, in which an intermediate coating layer made of at least one compound of Ti, Zr and Hf is formed on the surface of an aluminum oxide-based ceramic base made of silicon carbide, zirconium oxide and aluminum oxide, and a hard coating layer made of an aluminum oxide layer is formed on the surface of this intermediate coating layer, in order to provide a surface-coated cutting tool that exhibits excellent cutting performance over a long period of time without chipping or chipping in the hard coating layer even when subjected to normal continuous cutting, intermittent cutting or heavy cutting.
Furthermore, with this ceramic cutting tool, the intermediate coating layer prevents the diffusion of Si components from the ceramic base to the aluminum oxide layer, thereby suppressing the grain growth of the aluminum oxide and maintaining a fine grain structure, so that no chipping or chipping occurs when cutting cast iron, etc., and excellent cutting performance can be exhibited for a long period of time.

特開2011-031319号公報JP 2011-031319 A 特開平4-315504号公報Japanese Patent Application Publication No. 4-315504

近年の切削加工の高効率化に伴い、鋳鉄ミーリング加工において加工速度の高速化が進んでいる。しかし、切削加工条件が、例えば、vc≧500m/minの超高速条件のミーリング加工になった場合には、従来の超硬合金を基体とする表面被覆切削工具(例えば、前記特許文献1参照)では、硬質被覆層の摩耗により短時間で工具寿命に達してしまい、また、従来のセラミックスを基体とする表面被覆切削工具(例えば、前記特許文献2参照)では、セラミックス基体と硬質被覆層の密着強度が十分ではなく剥離等が発生することで、硬質被覆層の備える特性を十分に発揮することができず、工具寿命が短命となってしまうのが現状である。 In recent years, the machining speed of cast iron milling has been increasing with the increasing efficiency of cutting processes. However, when the cutting conditions become ultra-high speed conditions such as vc≧500 m/min, the tool life of a conventional surface-coated cutting tool based on a cemented carbide alloy (see, for example, Patent Document 1) is reached in a short time due to wear of the hard coating layer, and a conventional surface-coated cutting tool based on a ceramic (see, for example, Patent Document 2) does not have sufficient adhesion strength between the ceramic substrate and the hard coating layer, causing peeling, etc., and therefore the properties of the hard coating layer cannot be fully exhibited, resulting in a short tool life.

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、表面被覆切削工具の長寿命化を図るべく、特に、サイアロン(SiAlON)もしくは窒化ケイ素(Si)を工具基体とするセラミックス基表面被覆切削工具において、セラミックス工具基体と硬質被覆層の密着強度を高めることにより、鋳鉄の超高速条件(例えば、vc≧500m/min)でのミーリング加工においても、硬質被覆層の剥離を抑制して、長期の使用に亘って優れた切削性能を発揮するセラミックス基表面被覆切削工具について鋭意検討したところ、以下の知見を得た。 From the above viewpoint, the present inventors have conducted extensive research to extend the service life of surface-coated cutting tools, particularly ceramic-based surface-coated cutting tools having a tool base made of sialon (SiAlON) or silicon nitride ( Si3N4 ), and have investigated ceramic-based surface-coated cutting tools that exhibit excellent cutting performance over long periods of use by increasing the adhesion strength between the ceramic tool base and the hard coating layer and thereby suppressing peeling of the hard coating layer even in milling of cast iron under ultra-high speed conditions (e.g., vc≧500 m/min). As a result, the following findings were obtained.

ケイ素(以下、Siで示す場合もある)を含むセラミックス(例えば、サイアロン、窒化ケイ素)を工具基体とするセラミックス基表面被覆切削工具において、工具基体からのSi成分がAl層からなる硬質被覆層に拡散すると、Al粒子を粗大化するため、チッピングや欠損が発生しやすくなることは、前記特許文献2に開示されるとおりである。 In a ceramic-based surface-coated cutting tool having a tool substrate made of ceramics (e.g., sialon, silicon nitride) containing silicon (hereinafter sometimes referred to as Si), when the Si component from the tool substrate diffuses into a hard coating layer made of an Al2O3 layer, the Al2O3 particles become coarse, making chipping and breakage more likely to occur, as disclosed in Patent Document 2.

そこで、本発明者等は、セラミックス基体表面に硬質被覆層を形成するにあたり、Al層へのSi成分の拡散を抑制するための中間層として、セラミックス基体表面に、Ti化合物(Tiの窒化物、炭化物、炭窒化物、炭酸化物および炭窒酸化物から選ばれる少なくとも1種)層を形成し、さらに、この中間層に形成されるSiの拡散領域の厚さを所定値以下に定め、その表面にAl層を上層として形成することで、硬質被覆層の耐チッピング性、耐欠損性の向上を図った。 Therefore, when forming a hard coating layer on the surface of a ceramic substrate, the inventors formed a Ti compound (at least one selected from Ti nitrides , carbides, carbonitrides, carbonates and carbonitrides ) layer on the surface of the ceramic substrate as an intermediate layer to suppress the diffusion of Si components into the Al2O3 layer, and further set the thickness of the Si diffusion region formed in this intermediate layer to a predetermined value or less, and formed an Al2O3 layer on that surface as an upper layer, thereby improving the chipping resistance and defect resistance of the hard coating layer.

さらに、本発明者等は、セラミックス基体と前記中間層との密着強度をより向上させるべく研究を進めたところ、硬質被覆層形成前にセラミックス基体表面に特定の条件でブラスト処理を施し、その上に中間層を形成することで、中間層を構成する成分であるTi成分のセラミックス基体内部への拡散が促進され、所定の深さ領域に所定のTi含有量のTi拡散領域を形成することで、セラミックス基体と前記中間層との密着強度が格段に改善される。
その結果として、セラミックス基体と硬質被覆層との剥離発生が抑制され、長期の使用に亘って優れた切削性能が発揮され、セラミックス基表面被覆切削工具の長寿命化が図られることを見出したのである。
Furthermore, the inventors have conducted research to further improve the adhesive strength between the ceramic base and the intermediate layer, and have found that by blasting the ceramic base surface under specific conditions before forming the hard coating layer and then forming the intermediate layer thereon, the diffusion of the Ti component that constitutes the intermediate layer into the ceramic base is promoted, and a Ti diffusion region with a specified Ti content is formed in a specified depth region, thereby dramatically improving the adhesive strength between the ceramic base and the intermediate layer.
As a result, it has been found that the occurrence of peeling between the ceramic substrate and the hard coating layer is suppressed, excellent cutting performance is exhibited over long periods of use, and the life of the ceramic-based surface-coated cutting tool is extended.

さらに、セラミックス基体の表面に中間層を形成した後、上層としてのAl層を形成する工程の前に、中間層を形成したセラミックス基体に特定の条件で熱処理を施すことによって、Ti成分のセラミックス基体内部への拡散をより一層促進させることができる。
なお、中間層を形成したセラミックス基体に前記特定の条件で熱処理を施した場合、セラミックス基体内部へのTiの拡散が生じると同時に、セラミックス基体から中間層へ向かうSi成分の拡散も生じ、中間層中にSi拡散領域が形成されることになる。
しかし、Al層への悪影響を防ぐためには、Al層へのSi成分の拡散を抑制しなければならないのは既述のとおりであるから、中間層中に形成されるSi拡散領域におけるSi含有量とその厚さについては、Al層へのSi成分の拡散が生じないように、所定値以下に制限することが必要である。
なお、前記所定の厚さ、所定のTi含有量のTi拡散領域、さらに、前記所定の厚さ、所定のSi含有量のSi拡散領域を形成するための熱処理とは、例えば、以下の熱処理条件範囲で行うことができる。
加熱温度:1020~1080℃
保持時間:2~10時間
雰囲気: 水素またはアルゴン
圧力: 50kPa以下
Furthermore, after forming the intermediate layer on the surface of the ceramic base, the ceramic base on which the intermediate layer has been formed is subjected to a heat treatment under specific conditions before the step of forming the Al2O3 layer as the upper layer, thereby further promoting the diffusion of the Ti component into the interior of the ceramic base.
When the ceramic base on which the intermediate layer is formed is subjected to a heat treatment under the above-mentioned specific conditions, diffusion of Ti into the ceramic base occurs, and at the same time, diffusion of Si components from the ceramic base toward the intermediate layer also occurs, resulting in the formation of a Si-diffused region in the intermediate layer.
However, as described above, in order to prevent adverse effects on the Al2O3 layer, the diffusion of the Si component into the Al2O3 layer must be suppressed. Therefore, it is necessary to limit the Si content and the thickness of the Si-diffused region formed in the intermediate layer to a predetermined value or less so as to prevent the diffusion of the Si component into the Al2O3 layer.
The heat treatment for forming the Ti diffusion region having the predetermined thickness and the predetermined Ti content, and further the Si diffusion region having the predetermined thickness and the predetermined Si content, can be carried out, for example, within the following heat treatment condition range.
Heating temperature: 1020-1080℃
Holding time: 2 to 10 hours Atmosphere: Hydrogen or argon Pressure: 50 kPa or less

前記のとおり、本発明者等は、セラミックス基表面被覆切削工具において、セラミックス基体と上層であるAl層との間に、Ti化合物からなる中間層を形成し、該中間層には所定厚さのSi拡散領域を形成するとともに、セラミックス基体には所定厚さのTi拡散領域を形成することで、鋳鉄の超高速ミーリング切削加工条件下でも、耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性にすぐれ、長期の使用に亘って優れた耐摩耗性を発揮するセラミックス基表面被覆切削工具が得られることを見出したのである。 As described above, the present inventors have discovered that, in a ceramic-based surface-coated cutting tool, by forming an intermediate layer made of a Ti compound between a ceramic substrate and an upper Al2O3 layer, and by forming a Si-diffused region of a predetermined thickness in the intermediate layer and a Ti-diffused region of a predetermined thickness in the ceramic substrate, it is possible to obtain a ceramic-based surface-coated cutting tool that has excellent chipping resistance, fracture resistance and peeling resistance and exhibits excellent wear resistance over long periods of use, even under ultra-high speed milling cutting conditions for cast iron.

この発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「(1)サイアロンもしくは窒化ケイ素セラミックス基体表面に、中間層と上層からなる硬質被覆層が被覆されているセラミックス基表面被覆切削工具において、
(a)前記セラミックス基体表面には、0.3~1.5μmの合計平均層厚を有し、Tiの窒化物、炭化物、炭窒化物、炭酸化物および炭窒酸化物から選ばれる1種または2種以上のTi化合物からなる中間層が形成され、
(b)前記中間層の表面には、2μm~10μmの平均層厚を有するAl層からなる上層が形成され、
(c)前記セラミックス基体と中間層との界面から、前記セラミックス基体の内部方向へ向かって、Ti含有量が2at%以上であるTi拡散領域が形成され、該Ti拡散領域は0.10μm以上0.70μm以下の平均厚さを有し、
(d)前記セラミックス基体と中間層との界面から、前記中間層の内部方向へ向かって、Si含有量が2at%以上であるSi拡散領域が形成され、該Si拡散領域は0.05μm以上0.30μm以下の平均厚さを有することを特徴とするセラミックス基表面被覆切削工具。」
The present invention has been made based on the above findings,
"(1) A ceramic-based surface-coated cutting tool in which a hard coating layer consisting of an intermediate layer and an upper layer is coated on the surface of a sialon or silicon nitride ceramic substrate,
(a) an intermediate layer having a total average layer thickness of 0.3 to 1.5 μm and made of one or more Ti compounds selected from Ti nitrides, carbides, carbonitrides, carbonates and carbonitrides is formed on the surface of the ceramic substrate;
(b) an upper layer made of Al 2 O 3 having an average thickness of 2 μm to 10 μm is formed on the surface of the intermediate layer;
(c) a Ti-diffused region having a Ti content of 2 at% or more is formed from the interface between the ceramic base and the intermediate layer toward the inside of the ceramic base, and the Ti-diffused region has an average thickness of 0.10 μm or more and 0.70 μm or less;
(d) A ceramic-based surface-coated cutting tool, characterized in that a Si-diffusion region having a Si content of 2 at% or more is formed from the interface between the ceramic base and the intermediate layer toward the inside of the intermediate layer, and the Si-diffusion region has an average thickness of 0.05 μm or more and 0.30 μm or less.

この発明のセラミックス基表面被覆切削工具は、セラミックス基体と中間層の構成成分が双方に拡散し、セラミックス基体側にはTi拡散領域が形成され、一方、中間層側にはSi拡散領域が形成されることで、セラミックス基体と硬質被覆層とが十分な密着強度を備えるため、鋳鉄の超高速ミーリング切削加工に供した場合でも、剥離の発生はなく、また、耐チッピング性、耐欠損性にすぐれ、長期の使用に亘って優れた耐摩耗性を発揮し、セラミックス基表面被覆切削工具の長寿命化が達成される。 In the ceramic-based surface-coated cutting tool of this invention, the components of the ceramic base and the intermediate layer are diffused into both, forming a Ti-diffused region on the ceramic base side and a Si-diffused region on the intermediate layer side. This provides sufficient adhesion strength between the ceramic base and the hard coating layer, so that even when used in ultra-high speed milling of cast iron, peeling does not occur, and the tool has excellent chipping resistance and defect resistance, and exhibits excellent wear resistance over long periods of use, achieving a long service life for the ceramic-based surface-coated cutting tool.

本発明に係るセラミックス基表面被覆切削工具の縦断面模式図を示す。1 is a schematic vertical sectional view of a ceramic-based surface-coated cutting tool according to the present invention;

本発明について、以下に詳細に説明する。 The present invention is described in detail below.

図1の縦断面模式図に示すように、本発明のセラミックス基表面被覆切削工具は、セラミックス基体の表面にTi化合物層からなる中間層が形成され、さらに、該中間層の表面に、Al層からなる上層が形成されている。
そして、セラミックス基体と中間層との界面から、セラミックス基体の内部方向(図1でいえば下向きの方向)へ向かってTi拡散領域が形成され、一方、セラミックス基体と中間層との界面から、中間層の内部方向(図1でいえば上向きの方向)へ向かってSi拡散領域が形成されている
As shown in the schematic vertical cross-sectional view of FIG. 1, the ceramic-based surface-coated cutting tool of the present invention has an intermediate layer made of a Ti compound layer formed on the surface of a ceramic substrate, and further has an upper layer made of an Al2O3 layer formed on the surface of the intermediate layer.
A Ti-diffused region is formed from the interface between the ceramic substrate and the intermediate layer toward the inside of the ceramic substrate (the downward direction in FIG. 1), while a Si-diffused region is formed from the interface between the ceramic substrate and the intermediate layer toward the inside of the intermediate layer (the upward direction in FIG. 1).

セラミックス基体:
本発明では、ケイ素を含むセラミックス基体により、セラミックス基表面被覆切削工具の工具基体を構成する。
ケイ素を含むセラミックス基体としては、サイアロン(SiAlON)あるいは窒化ケイ素(Si)をあげることができるが、好ましくは、優れた硬度と耐熱性を有するサイアロンセラミックスを用いる。
Ceramic substrate:
In the present invention, the tool substrate of the ceramic-based surface-coated cutting tool is made of a ceramic substrate containing silicon.
Examples of the ceramic substrate containing silicon include sialon (SiAlON) and silicon nitride (Si 3 N 4 ). It is preferable to use sialon ceramics, which have excellent hardness and heat resistance.

また、サイアロン(SiAlON)セラミックス基体としては、β―サイアロン比率が75~100%で、結合相が1~15vol%であるセラミックス基体が特に好ましい。
これは、セラミックス基体に中間層成分であるTiを拡散させてTi拡散領域を形成するにあたり、Ti成分が針状組織を有するβ―サイアロン中に拡散し易いという理由により、β―サイアロン比率が75%未満だと十分なTiの拡散が得られず、セラミックス基体と中間層間での密着強度が十分であるとはいなくなるからである。
また、結合相については、セラミックス基体に占める結合相の含有割合が15vol%を超えると、セラミックス基体中へのTi成分の十分な拡散が得られず、一方、結合相の含有割合が1vol%未満になると基体自体の靭性が不足することから、結合相は1~15vol%とすることが望ましい。
As the sialon (SiAlON) ceramic substrate, a ceramic substrate having a β-sialon ratio of 75 to 100% and a binder phase of 1 to 15 vol % is particularly preferred.
This is because when Ti, which is a component of the intermediate layer, is diffused into the ceramic base to form a Ti-diffused region, the Ti component easily diffuses into β-sialon having an acicular structure. If the β-sialon ratio is less than 75%, sufficient Ti diffusion cannot be obtained, and the adhesive strength between the ceramic base and the intermediate layer is no longer sufficient.
Regarding the binder phase, if the content of the binder phase in the ceramic base exceeds 15 vol%, the Ti component cannot be sufficiently diffused into the ceramic base, whereas if the content of the binder phase is less than 1 vol%, the toughness of the base itself becomes insufficient. Therefore, the binder phase is preferably 1 to 15 vol%.

ここで、前記β-サイアロン比率は、次のように定義される。
α-サイアロン、β-サイアロンおよび結合相からなるセラミックス基体についてX線回折を行い、β-サイアロンの(101)面の回折ピーク強度β1と(210)面の回折ピーク強度β2を測定し、また、α-サイアロンの(102)面の回折ピーク強度α1と(210)面の回折ピーク強度α2を測定した時、{(β1+β2)/(β1+β2+α1+α2)}×100で算出される値を、β-サイアロン比率とする。
また、β-サイアロン比率を求めるための前記X線回折の条件は、測定条件:Cu管球、測定範囲(2θ):20~80度、スキャンステップ:0.013度、1ステップ当たり測定時間:0.48sec/stepという条件で測定することができる。
Here, the β-sialon ratio is defined as follows.
X-ray diffraction is performed on a ceramic substrate consisting of α-sialon, β-sialon, and a binder phase to measure the diffraction peak intensity β1 of the (101) plane of the β-sialon and the diffraction peak intensity β2 of the (210) plane, and also the diffraction peak intensity α1 of the (102) plane of the α-sialon and the diffraction peak intensity α2 of the (210) plane are measured. The value calculated from {(β1+β2)/(β1+β2+α1+α2)}×100 is the β-sialon ratio.
The X-ray diffraction conditions for determining the β-sialon ratio are as follows: measurement conditions: Cu tube, measurement range (2θ): 20 to 80 degrees, scan step: 0.013 degrees, measurement time per step: 0.48 sec/step.

また、前記結合相の含有割合の測定方法は、以下のとおりである。
セラミックス基体の任意の断面を倍率5,000倍でSEM(走査型透過電子顕微鏡)画像を取得し、画像処理ソフト(具体的には、例えば、ImageJ等)を用いてSEM画像を二値化処理して結合相を識別し、視野全体の面積に対する結合相の占める面積の割合を算出することで、結合相の含有割合を求めることができる。
なお、結合相とは、Al、MgO、Y、Yb等の焼結助材および窒化ケイ素中に含まれるシリカ成分等が焼結時に液相を生成することで形成される非晶質粒界相である。
The method for measuring the content of the binder phase is as follows.
An SEM (scanning transmission electron microscope) image is obtained at a magnification of 5,000 times for any cross section of the ceramic base, and the SEM image is binarized using image processing software (specifically, for example, ImageJ, etc.) to identify the binder phase. The content ratio of the binder phase can be obtained by calculating the ratio of the area occupied by the binder phase to the area of the entire field of view.
The binder phase is an amorphous grain boundary phase formed when sintering aids such as Al 2 O 3 , MgO, Y 2 O 3 , and Yb 2 O 3 and silica components contained in silicon nitride generate a liquid phase during sintering.

中間層:
セラミックス基体の表面には、通常のCVD法等により、0.3~1.5μmの合計平均層厚を有し、Tiの窒化物、炭化物、炭窒化物、炭酸化物および炭窒酸化物から選ばれる1種または2種以上のTi化合物からなる中間層を被覆形成する。
前記のTi化合物は、いずれもそれ自体が優れた高温強度を有することから、硬質被覆層が高温強度を具備するようになるほか、Al層からなる上層との密着性にすぐれる。さらに、本発明においては、セラミックス基体中にTi拡散領域を形成するが、Ti化合物からなる中間層がTi成分を供給するという機能を有するとともに、セラミックス基体から拡散してくるSi成分が、中間層内部においてのみSi拡散領域を形成するようにして、Al層からなる上層への悪影響を阻止するという機能を備える。
ただ、前記Ti化合物からなる中間層の合計平均層厚が1.5μmを超えると、特に鋳鉄の超高速ミーリング加工において、チッピング、欠損等の異常損傷を発生しやすくなることから、その合計平均層厚は1.5μm以下と定めた。
一方、中間層の合計平均層厚が0.3μm未満になると、Ti成分の拡散量、拡散浸透深さが不足し、セラミックス基体中に後記するような特定の深さの、また、特定のTi含有量のTi拡散領域を形成することができず、結果として、セラミックス基体と中間層間の密着強度が十分ではないことで剥離を生じやすくなるばかりか、セラミックス基体から拡散してくるSi成分を、中間層中に形成されるSi拡散領域内に留めることができなくなり、Al層からなる上層の耐チッピング、耐欠損性を低下させることになる。
したがって、Ti化合物からなる中間層の合計平均層厚は、0.3~1.5μmとする。
Middle layer:
The surface of the ceramic substrate is coated with an intermediate layer having a total average layer thickness of 0.3 to 1.5 μm and made of one or more Ti compounds selected from Ti nitrides, carbides, carbonitrides, carbonates and carbonitrides.
Since the above-mentioned Ti compounds each have excellent high-temperature strength, the hard coating layer is provided with high-temperature strength and has excellent adhesion to the upper layer made of Al 2 O 3. Furthermore, in the present invention, a Ti-diffused region is formed in the ceramic substrate, and the intermediate layer made of the Ti compound has a function of supplying the Ti component, and also has a function of preventing the Si component diffusing from the ceramic substrate from adversely affecting the upper layer made of Al 2 O 3 by forming a Si-diffused region only inside the intermediate layer.
However, if the total average layer thickness of the intermediate layer made of the Ti compound exceeds 1.5 μm, abnormal damage such as chipping and breakage becomes likely to occur, particularly in ultra-high speed milling of cast iron, so the total average layer thickness is set to 1.5 μm or less.
On the other hand, if the total average layer thickness of the intermediate layer is less than 0.3 μm, the diffusion amount and diffusion penetration depth of the Ti component will be insufficient, and it will be impossible to form a Ti diffusion region of a specific depth and with a specific Ti content in the ceramic base as described below. As a result, not only will the adhesion strength between the ceramic base and the intermediate layer be insufficient, making peeling more likely to occur, but the Si component diffusing from the ceramic base will not be able to be contained within the Si diffusion region formed in the intermediate layer, reducing the chipping resistance and defect resistance of the upper layer consisting of an Al 2 O 3 layer.
Therefore, the total average thickness of the intermediate layer made of a Ti compound is set to 0.3 to 1.5 μm.

Ti拡散領域:
セラミックス基体と中間層との界面から、セラミックス基体の内部方向へ向かって、Ti含有量が2at%以上であるTi拡散領域が0.10μm以上0.70μm以下の平均厚さで形成され(図1でいえば、セラミックス基体と中間層との界面から、下向き方向にTi拡散領域が形成され、該Ti拡散領域は0.10μm以上0.70μm以下の平均厚さを有する。)、Ti拡散領域が形成されることによって、セラミックス基体と中間層の密着強度が格段に向上し、セラミックス基体と硬質被覆層との剥離発生が抑制される。
ここで、Ti拡散領域とは、該領域におけるTi含有量が2at%以上である領域をいう。
また、Ti拡散領域の平均厚さとは、Ti含有量が2at%以上である領域のセラミックス基体と中間層との界面からの平均厚さをいうが、Ti拡散領域の平均厚さが、0.10μm未満より薄いと、セラミックス基体と中間層の密着強度の向上効果が少なく、本発明の目的を達成することができず、一方、Ti拡散領域の平均厚さが0.70μmを超えて過度に厚くなると、セラミックス基体自体の強度低下が生じるようになるので、Ti含有量が2at%以上であるTi拡散領域の平均厚さは、0.10μm以上0.70μm以下とする。
Ti diffusion region:
A Ti-diffusion region having a Ti content of 2 at % or more is formed with an average thickness of 0.10 μm or more and 0.70 μm or less from the interface between the ceramic base and the intermediate layer toward the inside of the ceramic base (in FIG. 1 , the Ti-diffusion region is formed downward from the interface between the ceramic base and the intermediate layer, and the Ti-diffusion region has an average thickness of 0.10 μm or more and 0.70 μm or less). The formation of the Ti-diffusion region significantly improves the adhesion strength between the ceramic base and the intermediate layer, and suppresses the occurrence of peeling between the ceramic base and the hard coating layer.
Here, the Ti-diffused region refers to a region in which the Ti content is 2 at % or more.
Furthermore, the average thickness of the Ti-diffusion region refers to the average thickness from the interface between the ceramic base and the intermediate layer in a region where the Ti content is 2 at% or more. If the average thickness of the Ti-diffusion region is thinner than 0.10 μm, the effect of improving the adhesive strength between the ceramic base and the intermediate layer is small, and the object of the present invention cannot be achieved. On the other hand, if the average thickness of the Ti-diffusion region is excessively thick, exceeding 0.70 μm, the strength of the ceramic base itself will decrease. Therefore, the average thickness of the Ti-diffusion region where the Ti content is 2 at% or more is set to be 0.10 μm or more and 0.70 μm or less.

ブラスト処理:
本発明では、セラミックス基体と中間層との界面から、前記セラミックス基体の内部方向へ向かって、所定のTi含有量の所定平均厚さのTi拡散領域を形成するが、工具基体表面にブラスト処理を施すことによって、Ti拡散領域の形成を促進する。
即ち、本発明の工具基体はサイアロンもしくは窒化ケイ素セラミックスおよび結合相とで構成され、また、結合相とは、Al、MgO、Y、Yb等の焼結助材および窒化ケイ素中に含まれるシリカ成分等が焼結時に液相を生成することで形成される非晶質粒界相であるが、セラミックス基体表面にブラスト処理を施すことによって、硬度の低い非晶質粒界相が選択的に除去され、それによって硬質被覆層形成時のTi成分の粒界への拡散が促進され、所定の深さ領域に所定のTi含有量のTi拡散領域を形成することができる。
ここで、好ましいブラスト処理条件範囲は、以下のとおりである。
ブラスト処理液:砥粒+水、
砥粒:Al粉粒、
砥粒サイズ: 100-440(メッシュ)、
砥粒濃度: 15-60質量%、
ブラスト圧力: 0.10-0.35MPa
投射時間: 8-30秒
Blasting:
In the present invention, a Ti-diffusion region of a predetermined average thickness and with a predetermined Ti content is formed from the interface between the ceramic base and the intermediate layer toward the inside of the ceramic base, and the formation of the Ti-diffusion region is promoted by subjecting the surface of the tool base to a blasting treatment.
That is, the tool base of the present invention is composed of sialon or silicon nitride ceramics and a binder phase, and the binder phase is an amorphous grain boundary phase formed when sintering aids such as Al2O3 , MgO, Y2O3 , Yb2O3 , and the silica component contained in silicon nitride generate a liquid phase during sintering. By subjecting the surface of the ceramic base to a blast treatment, the amorphous grain boundary phase with low hardness is selectively removed, thereby promoting the diffusion of the Ti component into the grain boundaries when the hard coating layer is formed, and a Ti-diffused region with a specified Ti content can be formed in a specified depth region.
The preferred range of blasting conditions is as follows:
Blasting fluid: abrasive grains + water,
Abrasive grains: Al2O3 powder grains,
Abrasive grain size: 100-440 (mesh),
Abrasive grain concentration: 15-60% by mass,
Blasting pressure: 0.10-0.35MPa
Projection time: 8-30 seconds

Si拡散領域:
セラミックス基体と中間層との界面から、中間層の内部方向へ向かって、Si含有量が2at%以上であるSi拡散領域が0.05μm以上0.30μm以下の平均厚さで形成され(図1でいえば、セラミックス基体と中間層との界面から、上向き方向にSi拡散領域が形成され、該Si拡散領域は0.05μm以上0.30μm以下の平均厚さを有する。)、Si拡散領域が形成されることによって、Al層からなる上層の耐チッピング、耐欠損性を低下させることなく耐摩耗性を維持することができる。
ここで、Si拡散領域とは、中間層中におけるSi含有量が2at%以上である領域をいう。
また、Si拡散領域の平均厚さとは、Si含有量が2at%以上である領域のセラミックス基体と中間層との界面からの平均厚さをいうが、Si拡散領域の平均厚さが0.05μm未満より薄いと、セラミックス基体と中間層の密着強度の向上効果が少なく、本発明の目的を達成することができず、一方、Si拡散領域の平均厚さが0.30μmを超えて過度に厚くなると、Siを起点として上層のAl粒子が異常成長を起こすことにより、上層の強度が低下することから、Si含有量が2at%以上であるSi拡散領域の平均厚さは、0.05μm以上0.30μm以下とする。
Si diffusion region:
A Si-diffusion region having a Si content of 2 at % or more is formed with an average thickness of 0.05 μm or more and 0.30 μm or less from the interface between the ceramic base and the intermediate layer toward the inside of the intermediate layer (in FIG. 1, the Si-diffusion region is formed in the upward direction from the interface between the ceramic base and the intermediate layer, and the Si-diffusion region has an average thickness of 0.05 μm or more and 0.30 μm or less). By forming the Si-diffusion region, it is possible to maintain the wear resistance without reducing the chipping resistance and defect resistance of the upper layer consisting of the Al2O3 layer.
Here, the Si-diffused region refers to a region in the intermediate layer where the Si content is 2 at % or more.
The average thickness of the Si diffusion region refers to the average thickness from the interface between the ceramic base and the intermediate layer in a region where the Si content is 2 at% or more. If the average thickness of the Si diffusion region is thinner than 0.05 μm, the effect of improving the adhesive strength between the ceramic base and the intermediate layer is small, and the object of the present invention cannot be achieved. On the other hand, if the average thickness of the Si diffusion region exceeds 0.30 μm and becomes excessively thick, the Al 2 O 3 particles in the upper layer will grow abnormally starting from Si, causing a decrease in the strength of the upper layer. Therefore, the average thickness of the Si diffusion region where the Si content is 2 at% or more is set to 0.05 μm or more and 0.30 μm or less.

熱処理:
本発明では、サイアロンもしくは窒化ケイ素セラミックス基体にTi化合物層からなる中間層を通常のCVD法により形成した後、Ti拡散領域の形成を促すため、必要に応じて熱処理を施すことができるが、その具体的な熱処理条件範囲は、例えば、以下のとおりである。
加熱温度:1020~1080℃
保持時間:2~10時間
雰囲気: 水素またはアルゴン雰囲気
圧力: 50kPa以下
Heat treatment:
In the present invention, after an intermediate layer made of a Ti compound layer is formed on a sialon or silicon nitride ceramic substrate by a normal CVD method, a heat treatment can be carried out as necessary to promote the formation of a Ti diffusion region. The specific range of heat treatment conditions is, for example, as follows:
Heating temperature: 1020-1080℃
Holding time: 2 to 10 hours Atmosphere: Hydrogen or argon atmosphere Pressure: 50 kPa or less

Ti拡散領域におけるTi含有量、拡散領域厚さと、Si拡散領域におけるSi含有量、拡散領域厚さ:
Ti拡散領域におけるTi含有量の測定手法と、この測定値(2at%以上のTi含有量)を踏まえた拡散領域厚さの測定(決定)手法、さらに、Si拡散領域におけるSi含有量の測定手法、拡散領域厚さの測定(決定)手法は、以下のとおりである。
まず、硬質被覆層と工具基体を含む縦断面(工具基体の表面に垂直な断面)の研磨面を透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope:TEM)の30000倍視野にて研磨面の組織写真を撮影し、次いで、透過型電子顕微鏡写真を画像解析ソフトを用いて二値化処理を行うことで、硬質被覆層と工具基体の二相に分離し、さらに、硬質被覆層と工具基体の界面を形成する曲線を直線近似した。次に、得られた直線に平行方向に直線を引き、該直線が硬質被覆層側に属する線分の合計長さをl(スモールエル)、工具基体側に属する線分の合計長さをLとした場合、L/(L+l)=0.8となる位置の直線を、硬質被覆層/工具基体の界面とした。
次に、前記界面が決定された透過型顕微鏡視野中において、前記界面からの距離が等しい基体中の任意の5箇所において、エネルギー分散型X線分析装置(EDS)によってTi含有量を測定し、5箇所の平均Ti含有量が2at%以上である領域をTi拡散領域とし、前記界面からの距離であるTi拡散領域厚さを計測した。
なお、「Ti含有量が2at%以上」とは、TEM-EDSにて定量分析を行って得られたTi,Si,Al,O,Nおよび結合相成分の含有量合計に対するTiの含有割合が2at%であることを意味する。
さらに、前記界面が決定された透過型顕微鏡視野中において、前記界面からの距離が等しい硬質被覆層中の任意の5箇所において、エネルギー分散型X線分析装置(EDS)によってSi含有量を測定し、5箇所の平均Si含有量が2at%以上である領域をSi拡散領域とし、前記界面からの距離であるSi拡散領域厚さを計測した。
なお、「Si含有量が2at%以上」とは、TEM-EDSにて定量分析を行って得られたTi,Si,C,O,Nの含有量合計に対するSiの含有割合が2at%であることを意味する。
Ti content and thickness in the Ti diffusion region, and Si content and thickness in the Si diffusion region:
The method for measuring the Ti content in the Ti diffusion region, the method for measuring (determining) the thickness of the diffusion region based on this measured value (Ti content of 2 at% or more), the method for measuring the Si content in the Si diffusion region, and the method for measuring (determining) the thickness of the diffusion region are as follows.
First, a polished surface of a longitudinal section (a section perpendicular to the surface of the tool substrate) including the hard coating layer and the tool substrate was photographed with a transmission electron microscope (TEM) at a magnification of 30,000 times, and then the transmission electron microscope photograph was binarized using image analysis software to separate it into two phases, the hard coating layer and the tool substrate, and the curve forming the interface between the hard coating layer and the tool substrate was linearly approximated. Next, a straight line was drawn in a direction parallel to the obtained straight line, and the total length of the line segments belonging to the hard coating layer side was l (small el), and the total length of the line segments belonging to the tool substrate side was L, and the straight line at the position where L/(L+l)=0.8 was determined as the interface between the hard coating layer and the tool substrate.
Next, in the field of view of the transmission microscope in which the interface was determined, the Ti content was measured by an energy dispersive X-ray analyzer (EDS) at any five points in the substrate that were equidistant from the interface, and the region in which the average Ti content at the five points was 2 at % or more was defined as a Ti-diffusion region, and the thickness of the Ti-diffusion region, which was the distance from the interface, was measured.
The term "Ti content is 2 at% or more" means that the Ti content is 2 at% relative to the total content of Ti, Si, Al, O, N and binder phase components obtained by quantitative analysis using TEM-EDS.
Furthermore, in the field of view of the transmission microscope where the interface was determined, the Si content was measured by an energy dispersive X-ray analyzer (EDS) at any five points in the hard coating layer that were equidistant from the interface, and the area where the average Si content at the five points was 2 at% or more was defined as a Si diffusion area, and the thickness of the Si diffusion area, which is the distance from the interface, was measured.
The term "Si content is 2 at % or more" means that the Si content is 2 at % relative to the total content of Ti, Si, C, O, and N obtained by quantitative analysis using TEM-EDS.

Al層からなる上層:
Al層からなる上層は、硬質被覆層の耐摩耗性を維持する作用があるが、その平均層厚が2μm未満では、長期の使用に亘っての耐摩耗性を確保することができず、一方、その平均層厚が10μmを越えると、超高速ミーリング切削加工時の耐チッピング性、耐欠損性、耐摩耗性が低下するようになることから、その平均層厚を2~10μmと定めた。
Top layer consisting of 3 layers of Al 2 O:
The upper layer consisting of three Al 2 O 3 layers has the effect of maintaining the wear resistance of the hard coating layer. However, if the average layer thickness is less than 2 μm, the wear resistance cannot be ensured over a long period of use, while if the average layer thickness exceeds 10 μm, the chipping resistance, defect resistance, and wear resistance during ultra-high speed milling cutting are reduced. Therefore, the average layer thickness is set to 2 to 10 μm.

なお、工具の使用前後の識別を目的として、黄金色の色調を有するTiN層を、必要に応じ上層表面に蒸着形成してもよいが、この場合の平均層厚は0.1~1μmでよい。これは0.1μm未満では、十分な識別効果が得られず、一方前記TiN層による前記識別効果は1μmまでの平均層厚で十分であるという理由からである。 For the purpose of identifying tools before and after use, a TiN layer having a golden color tone may be vapor-deposited on the upper surface as necessary. In this case, the average layer thickness may be 0.1 to 1 μm. This is because a sufficient identification effect cannot be obtained with a thickness of less than 0.1 μm, whereas the identification effect of the TiN layer is sufficient with an average layer thickness of up to 1 μm.

つぎに、この発明のセラミックス基表面被覆切削工具について、実施例により具体的に説明する。 Next, the ceramic-based surface-coated cutting tool of this invention will be specifically described using examples.

[実施例]
セラミックス基体の作製:
原料粉末として、いずれも0.1~1.0μmの範囲内の平均粒径を有するSi粉末、AlN粉末、Y粉末、YbおよびAl粉末を用意し、これら原料粉末を表1に示される配合組成に配合し、ボールミルにて96時間湿式混合し、乾燥した後、100MPaの圧力で厚粉体にプレス成形し、この圧粉体を、1MPaの窒素雰囲気中、1800℃にて2時間保持の条件で焼結し、焼結後、所定の寸法に加工し、切刃部に幅0.10mm、角度20度のチャンフォーホーニングにR:0.02mmの加工をすることによりISO・SDCW120408に規定するスローアウエイチップ形状をもった切削工具用のセラミックス基体A、Bを作製した。
表1に、基体A、Bの配合組成とともに、β-サイアロン比率を示す。
[Example]
Preparation of ceramic substrate:
As raw material powders, Si3N4 powder, AlN powder, Y2O3 powder , Yb2O3 and Al2O3 powder , all having an average particle size within the range of 0.1 to 1.0 μm, were prepared. These raw material powders were mixed according to the composition shown in Table 1, wet mixed in a ball mill for 96 hours, dried, and then pressed into a thick powder at a pressure of 100 MPa. This compact was sintered under the conditions of holding at 1800°C for 2 hours in a nitrogen atmosphere of 1 MPa. After sintering, it was processed to a specified size, and the cutting edge was processed into a width of 0.10 mm, an angle of 20 degrees, and R: 0.02 mm to produce ceramic bases A and B for cutting tools having a throw-away tip shape specified in ISO-SDCW120408.
Table 1 shows the composition of the substrates A and B, as well as the β-sialon ratio.

つぎに、前記で作製した基体A、Bの表面に、表2に示す条件でブラスト処理を施すことで、基体表面に存在する非晶質粒界相の量を低減し、基体表面に主硬質相であるサイアロン(SiAlON)、Siを多く露出させた。
なお、ブラスト処理の好ましい処理条件範囲は、以下のとおりである。
ブラスト処理液:砥粒+水、
砥粒:Al粉粒、
砥粒サイズ: 100-440(メッシュ)、
砥粒濃度: 15-60質量%、
ブラスト圧力: 0.10-0.35MPa
投射時間: 8-30秒
Next, the surfaces of the substrates A and B prepared above were subjected to a blasting treatment under the conditions shown in Table 2, thereby reducing the amount of amorphous grain boundary phase present on the substrate surface and exposing a large amount of sialon (SiAlON) and Si3N4 , which are the main hard phases, on the substrate surface.
The preferred range of processing conditions for the blasting treatment is as follows.
Blasting fluid: abrasive grains + water,
Abrasive grains: Al2O3 powder grains,
Abrasive grain size: 100-440 (mesh),
Abrasive grain concentration: 15-60% by mass,
Blasting pressure: 0.10-0.35MPa
Projection time: 8-30 seconds

次いで、ブラスト処理を施した前記基体A、Bの表面に、通常の化学蒸着装置を用い、通常の化学蒸着条件で、表3に示すTi化合物層からなる中間層を、表5に示す合計平均層厚となるように蒸着形成し、中間層を被覆した基体1~10を作製した。 Next, an intermediate layer consisting of a Ti compound layer shown in Table 3 was deposited on the blasted surfaces of the substrates A and B using a conventional chemical vapor deposition apparatus under conventional chemical vapor deposition conditions to a total average layer thickness shown in Table 5, producing substrates 1 to 10 coated with the intermediate layer.

次いで、前記基体1~10の幾つかに対して、表4に示す条件で熱処理を施し、表5に示す厚さのTi拡散領域を形成した。
なお、熱処理は、中間層を形成したセラミックス基体に、Ti成分のセラミックス基体内部への拡散をより一層促進させるために行う処理であって、必要に応じて行えばよく、本発明のセラミックス基表面被覆切削工具の製造に際し、必ずしも、必須の工程というわけではない。
Next, some of the substrates 1 to 10 were subjected to a heat treatment under the conditions shown in Table 4, and a Ti-diffused region having a thickness shown in Table 5 was formed.
The heat treatment is a process carried out on the ceramic base having the intermediate layer formed thereon in order to further promote diffusion of the Ti component into the ceramic base. This process may be carried out as required, and is not necessarily an essential step in the production of the ceramic-based surface-coated cutting tool of the present invention.

次いで、前記熱処理を施した、あるいは、熱処理を施していない基体1~10の表面に、通常の化学蒸着装置を用い、通常の化学蒸着条件で、表3に示すAl層からなる上層を、表5に示す平均層厚となるように蒸着形成することで、本発明のセラミックス基表面被覆切削工具(以下、「本発明工具」という)1~10を作製した。 Next, on the surfaces of the substrates 1 to 10 that had been subjected to the heat treatment or had not been subjected to the heat treatment, an upper layer consisting of three Al 2 O 3 layers shown in Table 3 was deposited by vapor deposition under normal chemical vapor deposition conditions to have an average layer thickness shown in Table 5, thereby producing the ceramic-based surface-coated cutting tools 1 to 10 of the present invention (hereinafter referred to as the "tools of the present invention").

[比較例]
比較の目的で、本発明工具とは異なる比較例の表面被覆切削工具(以下、「比較例工具」という)を、以下のように作製した。
[Comparative Example]
For the purpose of comparison, a surface-coated cutting tool as a comparative example (hereinafter referred to as a "comparative example tool") different from the tool of the present invention was prepared as follows.

工具基体として、表1に示されたものを使用し、ブラスト処理を施さなかった点、あるいは、好ましい処理条件範囲から外れた条件でブラスト処理した点を除き、本発明工具と同様な手順(即ち、熱処理の実施、中間層の形成及び上層の形成は、本発明工具とほぼ同様)で、比較例工具1~10を作製した。
表6に、比較例工具1~10についての、基体種別、ブラスト処理の種別、熱処理の種別、中間層の種別と合計平均層厚、上層の平均層厚を示す。
Comparative Example Tools 1 to 10 were produced using the tool base shown in Table 1 in the same manner as the tool of the present invention (i.e., the heat treatment, the formation of the intermediate layer, and the formation of the upper layer were almost the same as those of the tool of the present invention), except that the tool base was not subjected to blast treatment or was subjected to blast treatment under conditions outside the range of preferred treatment conditions.
Table 6 shows the base type, blast treatment type, heat treatment type, intermediate layer type and total average layer thickness, and upper layer average layer thickness for comparative example tools 1 to 10.

また、前記で作製した本発明工具及び比較例工具について、基体表面に垂直な断面を観察・測定し、Ti含有量が2at%以上の基体領域をTi拡散領域とし、また、Si含有量が2at%以上の中間層領域をSi拡散領域とすることで、Ti拡散領域及びSi拡散領域の厚さを求めた。
表5、表6に、その値を示す。
In addition, for the tool of the present invention and the comparative example tool prepared as described above, cross sections perpendicular to the substrate surface were observed and measured, and the substrate region having a Ti content of 2 at% or more was designated as the Ti-diffusion region, and the intermediate layer region having a Si content of 2 at% or more was designated as the Si-diffusion region, thereby determining the thicknesses of the Ti-diffusion region and the Si-diffusion region.
The values are shown in Tables 5 and 6.

ここで、Ti拡散領域の厚さ及びSi拡散領域の平均厚さの測定は、以下の方法で行った。
まず、硬質被覆層と工具基体を含む縦断面(工具基体の表面に垂直な断面)の研磨面を透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope:TEM)の30000倍視野にて研磨面の組織写真を撮影し、次いで、透過型電子顕微鏡写真を画像解析ソフトを用いて二値化処理を行うことで、硬質被覆層と工具基体の二相に分離し、さらに、硬質被覆層と工具基体の界面を形成する曲線を直線近似した。次に、得られた直線に平行方向に直線を引き、該直線が硬質被覆層側に属する線分の合計長さをl(スモールエル)、工具基体側に属する線分の合計長さをLとした場合、L/(L+l)=0.8となる位置の直線を、硬質被覆層/工具基体の界面とした。
次に、前記界面が決定された透過型顕微鏡視野中において、前記界面からの距離が等しい基体中の任意の5箇所において、エネルギー分散型X線分析装置(EDS)によってTi含有量を測定し、5箇所の平均Ti含有量が2at%以上である領域をTi拡散領域とし、前記界面からの距離であるTi拡散領域厚さを計測した。
さらに、前記界面が決定された透過型顕微鏡視野中において、前記界面からの距離が等しい硬質被覆層中の任意の5箇所において、エネルギー分散型X線分析装置(EDS)によってSi含有量を測定し、5箇所の平均Si含有量が2at%以上である領域をSi拡散領域とし、前記界面からの距離であるSi拡散領域厚さを計測した。
なお、本発明工具及び比較例工具の中間層の合計平均層厚、上層の平均層厚については、表5、表6に示すとおりであるが、走査型電子顕微鏡を用い測定した複数個所の測定値を平均することにより求めた。
Here, the thickness of the Ti diffusion region and the average thickness of the Si diffusion region were measured by the following method.
First, a polished surface of a longitudinal section (a section perpendicular to the surface of the tool substrate) including the hard coating layer and the tool substrate was photographed with a transmission electron microscope (TEM) at a magnification of 30,000 times, and then the transmission electron microscope photograph was binarized using image analysis software to separate it into two phases, the hard coating layer and the tool substrate, and the curve forming the interface between the hard coating layer and the tool substrate was linearly approximated. Next, a straight line was drawn in a direction parallel to the obtained straight line, and the total length of the line segments belonging to the hard coating layer side was l (small el), and the total length of the line segments belonging to the tool substrate side was L, and the straight line at the position where L/(L+l)=0.8 was determined as the interface between the hard coating layer and the tool substrate.
Next, in the field of view of the transmission microscope in which the interface was determined, the Ti content was measured by an energy dispersive X-ray analyzer (EDS) at any five points in the substrate that were equidistant from the interface, and the region in which the average Ti content at the five points was 2 at % or more was defined as a Ti-diffusion region, and the thickness of the Ti-diffusion region, which was the distance from the interface, was measured.
Furthermore, in the field of view of the transmission microscope where the interface was determined, the Si content was measured by an energy dispersive X-ray analyzer (EDS) at any five points in the hard coating layer that were equidistant from the interface, and the area where the average Si content at the five points was 2 at% or more was defined as a Si diffusion area, and the thickness of the Si diffusion area, which is the distance from the interface, was measured.
The total average thickness of the intermediate layers and the average thickness of the upper layers of the tools of the present invention and the comparative example are shown in Tables 5 and 6, and were obtained by averaging values measured at multiple points using a scanning electron microscope.

つぎに、上記本発明被覆工具1~10及び比較被覆工具1~10について、いずれもカッタ径80mmの工具鋼製カッタ先端部に固定治具にてクランプした状態で、以下の切削条件で超高速ミーリング加工試験を実施した。
《切削条件》
被削材: JIS・FCD600、幅100mm、長さ400mmのブロック材
切削速度: 1000m/min、
軸方向切り込み: 1.0mm、
径方向切り込み: 60mm
一刃送り量: 0.1mm/刃、
切削時間: 15分、
の条件でのダクタイル鋳鉄の乾式超高速ミーリング切削試験(通常の切削速度は、500m/min)、
を行い、切刃の逃げ面摩耗幅を測定し、また、異常損傷の有無の発生を観察した。
表7に、この測定結果、観察結果を示す。
Next, for each of the coated tools 1 to 10 of the present invention and the comparative coated tools 1 to 10, an ultra-high speed milling test was carried out under the following cutting conditions while the tools were all clamped to the tip of a tool steel cutter having a cutter diameter of 80 mm using a fixing jig.
<Cutting conditions>
Workpiece: JIS FCD600, block material 100 mm wide, 400 mm long Cutting speed: 1000 m/min
Axial depth: 1.0 mm,
Radial cut: 60 mm
Feed per blade: 0.1 mm/blade
Cutting time: 15 minutes,
Dry ultra-high speed milling cutting test of ductile cast iron under the conditions of (normal cutting speed is 500m/min),
The wear width of the flank of the cutting edge was measured, and the occurrence of abnormal damage was observed.
Table 7 shows the measurement and observation results.

Figure 0007567611000001
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表5~7に示される結果から、サイアロンセラミックス基体表面に、Ti化合物からなる中間層を介して、Al層からなる上層を形成したセラミックス基表面被覆切削工具において、セラミックス基体と中間層との界面から、セラミックス基体の内部方向へ向かう所定平均厚さのTi拡散領域と、セラミックス基体と中間層との界面から、中間層の内部方向へ向かう所定平均厚さのSi拡散領域を形成した本発明被覆工具では、これを鋳鉄等の超高速ミーリング加工に供した場合、剥離を発生しないばかりか、優れた耐チッピング性、耐欠損性を示し、長期の使用にわたって優れた耐摩耗性を発揮するため、セラミックス基表面被覆切削工具の長寿命化を図ることが出来る。 From the results shown in Tables 5 to 7, it can be seen that in a ceramic-based surface-coated cutting tool having an upper layer made of Al2O3 formed on the surface of a sialon ceramic base with an intermediate layer made of a Ti compound therebetween, a Ti-diffused region of a predetermined average thickness extending from the interface between the ceramic base and the intermediate layer toward the inside of the ceramic base, and a Si-diffused region of a predetermined average thickness extending from the interface between the ceramic base and the intermediate layer toward the inside of the intermediate layer, when this coated tool is subjected to ultra-high speed milling of cast iron, etc., not only does it not peel off, but it also exhibits excellent chipping resistance and defect resistance and exhibits excellent wear resistance over long periods of use, thereby enabling the ceramic-based surface-coated cutting tool to have a longer life.

一方、前記Ti拡散領域、Si拡散領域を形成していない比較例被覆工具、あるいは、本発明で規定する平均厚さから外れるTi拡散領域、Si拡散領域が形成された比較例被覆工具では、剥離、チッピング、欠損等の異常損傷の発生、あるいは、耐摩耗性の低下によって、いずれも工具寿命は短命であった。 On the other hand, in comparative coated tools in which the Ti and Si diffusion regions were not formed, or in which the Ti and Si diffusion regions were formed with thicknesses outside the average thicknesses specified in the present invention, the tool life was short due to the occurrence of abnormal damage such as peeling, chipping, and defects, or a decrease in wear resistance.

上述のように、この発明のセラミックス基表面被覆切削工具は、鋳鉄などの高熱発生を伴い大きな熱衝撃を受ける超高速ミーリング切削加工において、すぐれた耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性、耐摩耗性を発揮し、切削加工の省力化および省エネ化に十分満足に対応できるものである。



As described above, the ceramic-based surface-coated cutting tool of the present invention exhibits excellent chipping resistance, fracture resistance, peeling resistance and wear resistance in ultra-high speed milling cutting of cast iron and the like, which is accompanied by high heat generation and is subjected to large thermal shock, and can fully meet the demands for labor-saving and energy-saving in cutting.



Claims (1)

サイアロンもしくは窒化ケイ素セラミックス基体表面に、中間層と上層からなる硬質被覆層が被覆されているセラミックス基表面被覆切削工具において、
(a)前記セラミックス基体表面には、0.3~1.5μmの合計平均層厚を有し、Tiの窒化物、炭化物、炭窒化物、炭酸化物および炭窒酸化物から選ばれる1種または2種以上のTi化合物からなる中間層が形成され、
(b)前記中間層の表面には、2μm~10μmの平均層厚を有するAl層からなる上層が形成され、
(c)前記セラミックス基体と中間層との界面から、前記セラミックス基体の内部方向へ向かって、Ti含有量が2at%以上であるTi拡散領域が形成され、該Ti拡散領域は0.10μm以上0.70μm以下の平均厚さを有し、
(d)前記セラミックス基体と中間層との界面から、前記中間層の内部方向へ向かって、Si含有量が2at%以上であるSi拡散領域が形成され、該Si拡散領域は0.05μm以上0.30μm以下の平均厚さを有することを特徴とするセラミックス基表面被覆切削工具。



A ceramic-based surface-coated cutting tool having a sialon or silicon nitride ceramic substrate surface coated with a hard coating layer consisting of an intermediate layer and an upper layer,
(a) an intermediate layer having a total average layer thickness of 0.3 to 1.5 μm and made of one or more Ti compounds selected from Ti nitrides, carbides, carbonitrides, carbonates and carbonitrides is formed on the surface of the ceramic substrate;
(b) an upper layer made of Al 2 O 3 having an average thickness of 2 μm to 10 μm is formed on the surface of the intermediate layer;
(c) a Ti-diffused region having a Ti content of 2 at% or more is formed from the interface between the ceramic base and the intermediate layer toward the inside of the ceramic base, and the Ti-diffused region has an average thickness of 0.10 μm or more and 0.70 μm or less;
(d) A ceramic-based surface-coated cutting tool, characterized in that a Si-diffusion region having a Si content of 2 at % or more is formed from the interface between the ceramic base and the intermediate layer toward the inside of the intermediate layer, and the Si-diffusion region has an average thickness of 0.05 μm or more and 0.30 μm or less.



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