JP2010029980A - Cutting tool - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は基体の表面に被覆層が成膜されている切削工具に関する。 The present invention relates to a cutting tool having a coating layer formed on the surface of a substrate.
現在、切削工具や耐摩部材、摺動部材といった耐摩耗性や摺動性、耐欠損性を必要とする部材では、超硬合金やサーメット等の焼結合金、ダイヤモンドやcBN(立方晶窒化硼素)焼結体等の高硬度焼結体からなる基体の表面に被覆層を成膜して、耐摩耗性、摺動性、耐欠損性を向上させる手法が使われている。中でも、超硬合金やサーメットでは加工が難しい高速加工や難削材、特に焼入れ鋼の加工には、ダイヤモンドに次ぐ硬度を持ち、かつ鉄との反応も生じにくいcBN焼結体が用いられている。 Currently, for members that require wear resistance, slidability, and fracture resistance, such as cutting tools, wear-resistant members, and sliding members, sintered alloys such as cemented carbide and cermet, diamond, and cBN (cubic boron nitride) A technique is used in which a coating layer is formed on the surface of a substrate made of a high-hardness sintered body such as a sintered body to improve wear resistance, slidability, and fracture resistance. Among them, cBN sintered bodies that have hardness next to diamond and are less likely to react with iron are used for high-speed machining and difficult-to-cut materials that are difficult to machine with cemented carbide and cermet, especially hardened steel. .
例えば、特許文献1では、cBN基体の表面にTiCやTiN、Al2O3等の被覆層を成膜した切削工具が開示され、一般の鋼や鋳鉄の切削において耐摩耗性の改善が見られたことが記載されている。また、特許文献2では、cBN基体の表面にTiAlN被膜を成膜した切削工具が開示され、焼入鋼等の高硬度難削材の切削において長寿命となることが記載されている。さらに、特許文献3では、cBN基体の表面にTiAlSiN組成でTiとAl比率が連続的に変化する硬質被覆層を被覆した切削工具が開示され、高速重切削において優れた耐チッピング性を発揮することが記載されている。
しかしながら、cBN基体の表面に被着形成する被覆層として、特許文献1のTiCやTiN、Al2O3被覆層、特許文献2のTiAlN被覆層、特許文献3のTiAlSiN被覆層のいずれにおいても、切削性能は不十分でありさらなる長寿命化が求められていた。例えば、鋳鉄の切削加工に用いた場合でも工具寿命をさらに延ばすことが求められていた。
However, as the coating layer deposited on the surface of the cBN substrate, of TiC and
そこで、本発明の切削工具は、cBN焼結体に被覆層を形成した切削工具において、さらに長寿命な切削工具を提供することを目的とする。 Then, the cutting tool of this invention aims at providing the cutting tool with a still longer life in the cutting tool which formed the coating layer in the cBN sintered compact.
本発明の切削工具は、立方晶窒化硼素(cBN)を70体積%以上含有するcBN焼結体からなる切刃チップの表面を被覆層で被覆したものであって、前記cBN焼結体は、4〜6μmのcBN粗粒子と0.5〜1.2μmのcBN微粒子とのcBN粒子の周囲を、少なくとも周期表4、5、6族金属から選ばれる1種以上の元素の炭化物と鉄族金属を含む結合相で結合してなり、前記被覆層は、Ti1−a−b−c−dAlaWbSicMd(CxN1−x)(ただし、MはNb、Mo、Ta、Hf、Yから選ばれる1種以上、0.45≦a≦0.55、0.01≦b≦0.1、0.01≦c≦0.05、0.01≦d≦0.1、0≦x≦1)からなるものである。 The cutting tool of the present invention is obtained by coating the surface of a cutting blade tip made of a cBN sintered body containing 70% by volume or more of cubic boron nitride (cBN) with a coating layer, and the cBN sintered body is A carbide of at least one element selected from Group 4, 5, and 6 metals and iron group metal around cBN particles of 4 to 6 μm cBN coarse particles and 0.5 to 1.2 μm cBN fine particles bound becomes in a binding phase containing the coating layer, Ti 1-a-b- c-d Al a W b Si c M d (C x N 1-x) ( however, M is Nb, Mo, One or more selected from Ta, Hf, and Y, 0.45 ≦ a ≦ 0.55, 0.01 ≦ b ≦ 0.1, 0.01 ≦ c ≦ 0.05, 0.01 ≦ d ≦ 0. 1, 0 ≦ x ≦ 1).
ここで、前記切刃チップは裏打板を介して台座にロウ付けされており、前記cBN焼結体中の鉄族金属の濃度が前記裏打板の界面からすくい面表面に向かって減少していることが望ましい。 Here, the cutting edge tip is brazed to the pedestal via a backing plate, and the concentration of the iron group metal in the cBN sintered body decreases from the interface of the backing plate toward the rake face surface. It is desirable.
さらに、前記被覆層の厚みが0.5〜5μmであることが望ましい。 Furthermore, it is desirable that the coating layer has a thickness of 0.5 to 5 μm.
本発明の切削工具によれば、粒径4〜6μmのcBN粗粒子と粒径0.5〜1.2μmのcBN微粒子とのcBN粒子の周囲を、少なくとも周期表4、5、6族金属から選ばれる1種以上の元素の炭化物と鉄族金属を含む結合相で結合した構成のcBN焼結体と、Ti1−a−b−c−dAlaWbSicMd(CxN1−x)(ただし、MはNb、Mo、Ta、Hf、Yから選ばれる1種以上、0.45≦a≦0.55、0.01≦b≦0.1、0.01≦c≦0.05、0.01≦d≦0.1、0≦x≦1)からなる被覆層を組み合わせることによって、切削工具としての寿命が延び、特に鋳鉄の断続加工において優れた切削性能を発揮した。 According to the cutting tool of the present invention, the circumference of the cBN particles of the cBN coarse particles having a particle diameter of 4 to 6 μm and the cBN fine particles having a particle diameter of 0.5 to 1.2 μm is at least from the periodic tables 4, 5, and 6 metals. and one or more elements of the carbide and iron group cBN sintered body bound constituted by bonded phase containing a metal selected, Ti 1-a-b- c-d Al a W b Si c M d (C x N 1-x ) (where M is at least one selected from Nb, Mo, Ta, Hf, and Y, 0.45 ≦ a ≦ 0.55, 0.01 ≦ b ≦ 0.1, 0.01 ≦ c) ≦ 0.05, 0.01 ≦ d ≦ 0.1, 0 ≦ x ≦ 1) is combined to extend the life as a cutting tool, and exhibits excellent cutting performance especially in the intermittent processing of cast iron did.
ここで、前記切刃チップは裏打板を介して台座にロウ付けされており、前記cBN焼結体中の鉄族金属の濃度が前記裏打板の界面からすくい面表面に向かって減少している場合には、裏打ち超硬合金との密着性およびcBN焼結体の高強度を保持しつつ、鉄族金属と被覆層との熱膨張係数差による残留応力の発生や被覆層の異常粒成長などの被覆層の欠陥を抑制するという効果がある。 Here, the cutting edge tip is brazed to the pedestal via the backing plate, and the concentration of the iron group metal in the cBN sintered body decreases from the interface of the backing plate toward the rake face surface. In some cases, generation of residual stress due to difference in thermal expansion coefficient between the iron group metal and the coating layer, abnormal grain growth of the coating layer, etc. while maintaining the adhesion with the backing cemented carbide and the high strength of the cBN sintered body This has the effect of suppressing defects in the coating layer.
さらに、前記被覆層の厚みが0.5〜5μmであることが、摩耗と欠損のバランスが良くて、工具寿命が延びる点で望ましい。 Further, it is desirable that the thickness of the coating layer is 0.5 to 5 μm because the balance between wear and chipping is good and the tool life is extended.
本発明の切削工具の一例について、図1の(a)概略斜視図および(b)概略断面図を基に説明する。 An example of the cutting tool of the present invention will be described on the basis of (a) a schematic perspective view and (b) a schematic sectional view of FIG.
図1(a)のように、本発明の切削工具(以下、単に工具と略す。)1は、すくい面2と逃げ面3との交差稜線が切刃4である形状をなし、かつ図1(b)に示すように、cBN焼結体からなる基体(以下、単に基体と略す。)6の表面に被覆層7を成膜した構成となっている。また、図1(a)によれば、基体6はチップ本体10の先端に裏打ち板11を介してロウ付けされた構造からなる。
As shown in FIG. 1 (a), a cutting tool (hereinafter simply referred to as a tool) 1 of the present invention has a shape in which a crossing edge line between a
基体6をなすcBN(立方晶窒化硼素)焼結体は、粒径4〜6μmのcBN粗粒子と粒径0.5〜1.2μmのcBN微粒子とのcBN粒子の周囲を、少なくとも周期表4、5、6族金属から選ばれる1種以上の元素の炭化物と鉄族金属を含む結合相で結合した構成からなる。 The cBN (cubic boron nitride) sintered body forming the substrate 6 has at least a periodic table 4 around the cBN particles of cBN coarse particles having a particle diameter of 4 to 6 μm and cBN fine particles having a particle diameter of 0.5 to 1.2 μm. It comprises a structure in which a carbide of one or more elements selected from Group 5 and 6 metals and a bonded phase containing an iron group metal are combined.
ここで、立方晶窒化硼素を70体積%未満であると摩耗が著しく進行する。また、結合相がTiCを含まず鉄族金属のみであると結合相の摩耗が著しく進行する。逆に、TiCのみで鉄族金属を含まないとcBN粒子の保持力が低下してcBN粒子の脱落が発生する。 Here, when the cubic boron nitride is less than 70% by volume, the wear proceeds remarkably. In addition, when the binder phase does not contain TiC and is only an iron group metal, the wear of the binder phase remarkably proceeds. On the other hand, if only TiC and no iron group metal is contained, the holding power of the cBN particles is reduced, and the cBN particles fall off.
なお、結合相を構成する周期表第4、5および6族金属の群から選ばれる1種または2種以上の元素の炭化物(以下、炭化物と略す。)としては、TiCを含有することが高硬度かつcBNとの結合力を向上させるために望ましく、また、鉄族金属としてはCoを含有することが炭化物層とcBNとの界面を充足し、欠陥を減少させるために望ましい。 The carbide of one or more elements selected from the group of metals of Group 4, 5 and 6 of the periodic table constituting the binder phase (hereinafter abbreviated as carbide) is highly TiC-containing. It is desirable to improve the hardness and bonding strength with cBN, and it is desirable to contain Co as an iron group metal in order to satisfy the interface between the carbide layer and cBN and reduce defects.
また、cBN粒子については、粒径4〜6μmのcBN粗粒子と粒径0.5〜1.2μmのcBN微粒子との粗微混粒からなる。このように粗微混粒であるかどうかを判定する方法は以下のとおりである。まず、焼結体の断面について顕微鏡写真を撮り、写真から画像解析法により20個以上の各cBN粒子の面積を求める。次に、CIS−019D−2005に規定された超硬合金の平均粒径の測定方法に準じてcBNの粒径を算出する。そして、cBN粒子の粒径分布をとって分布が2つのピークを持つかどうかで判断する。2つのピークについて、大きい方のピークが粒径4〜6μmの範囲内にあり、小さい方のピークが粒径0.5〜1.2μmの範囲内にあるとき、本発明の、粒径4〜6μmのcBN粗粒子と粒径0.5〜1.2μmのcBN微粒子とのcBN粒子が存在すると定義する。 The cBN particles are composed of coarse and fine mixed particles of cBN coarse particles having a particle size of 4 to 6 μm and cBN fine particles having a particle size of 0.5 to 1.2 μm. The method for determining whether or not the mixture is coarse and fine is as follows. First, a micrograph is taken of the cross section of the sintered body, and the area of each of 20 or more cBN particles is determined from the photograph by an image analysis method. Next, the particle size of cBN is calculated according to the measuring method of the average particle size of the cemented carbide specified in CIS-019D-2005. Then, the particle size distribution of the cBN particles is taken to determine whether the distribution has two peaks. Of the two peaks, when the larger peak is in the range of 4 to 6 μm and the smaller peak is in the range of 0.5 to 1.2 μm, It is defined that cBN particles of 6 μm cBN coarse particles and cBN fine particles having a particle size of 0.5 to 1.2 μm exist.
さらに、cBN粒子の外周部に、周期表第4、5および6族金属、鉄族金属およびAlの群から選ばれる1種または2種以上の元素の金属間化合物、炭化物、窒化物、炭窒化物、硼化物、硼炭化物、硼窒化物、酸化物からなる中間相が存在することが、cBN粒子を強固に保持することができるため望ましい。 Furthermore, on the outer periphery of the cBN particles, an intermetallic compound of one or more elements selected from the group consisting of Group 4, 5 and 6 metals of the periodic table, iron group metal and Al, carbide, nitride, carbonitride The presence of an intermediate phase composed of a compound, boride, borocarbide, boronitride, or oxide is desirable because cBN particles can be held firmly.
被覆層7は、Ti1−a−b−c−dAlaWbSicMd(CxN1−x)(ただし、MはNb、Mo、Ta、Hf、Yから選ばれる1種以上であり、0.45≦a≦0.55、0.01≦b≦0.1、0.01≦c≦0.05、0.01≦d≦0.1、0≦x≦1である。)にて構成されている硬質被覆層8を具備している。 Coating layer 7, Ti 1-a-b- c-d Al a W b Si c M d (C x N 1-x) ( where one M is selected Nb, Mo, Ta, Hf, from Y It is above, 0.45 ≦ a ≦ 0.55, 0.01 ≦ b ≦ 0.1, 0.01 ≦ c ≦ 0.05, 0.01 ≦ d ≦ 0.1, 0 ≦ x ≦ 1 The hard coating layer 8 comprised by this is comprised.
上記基体6と硬質被覆層8とを組み合わせた切削工具は、特に、鋳物の断続加工において耐欠損性に優れて、切削性能に優れるものである。 The cutting tool in which the base 6 and the hard coating layer 8 are combined is particularly excellent in chipping resistance and cutting performance in intermittent machining of castings.
硬質被覆層8のこの組成領域では酸化開始温度が高くなって耐酸化性が高まり、工具1の切削時の耐摩耗性が向上する、特に焼入鋼等の難削材を加工する際のクレータ摩耗の進行を抑制できる。しかも、硬質被覆層8に内在する内部応力を低減することができるので、切刃4の先端に発生しやすいチッピングが抑制できて耐欠損性が高いものとなる。
In this composition region of the hard coating layer 8, the oxidation start temperature is increased, the oxidation resistance is increased, and the wear resistance during cutting of the
すなわち、a(Al組成比)が0.45よりも少ないと硬質被覆層8の耐酸化性が低下してしまい、a(Al組成比)が0.55よりも多いと硬質被覆層8の結晶構造が立方晶から六方晶に変化する傾向があり硬度が低下する。aの特に望ましい範囲は0.48≦a≦0.52である。また、b(W組成比)が0.01よりも少ないと硬質被覆層8の内部応力が高くて耐欠損性が低下するとともに、基体6と硬質被覆層8との密着性が低下して切削中にチッピングや被覆層7の剥離が発生しやすくなり、b(W組成比)が0.1よりも多いと硬質被覆層8の硬度が低下する。bの特に望ましい範囲は0.01≦b≦0.08である。さらに、c(Si組成比)が0.05よりも多いと硬質被覆層8の硬度が低下する。cの特に望ましい範囲は0.01≦c≦0.04である。また、d(M組成比)が0.01よりも少ないと酸化開始温度が低くなってしまい、d(M組成比)が0.1よりも多いと金属Mの一部が立方晶とは別の低硬度相として存在して硬質被覆層8の硬度が低下する。dの特に望ましい範囲は0.01≦d≦0.08である。 That is, if a (Al composition ratio) is less than 0.45, the oxidation resistance of the hard coating layer 8 is lowered, and if a (Al composition ratio) is more than 0.55, the crystals of the hard coating layer 8 are reduced. The structure tends to change from cubic to hexagonal and hardness decreases. A particularly desirable range of a is 0.48 ≦ a ≦ 0.52. On the other hand, if b (W composition ratio) is less than 0.01, the internal stress of the hard coating layer 8 is high and the fracture resistance is lowered, and the adhesiveness between the base 6 and the hard coating layer 8 is lowered and cutting is performed. Chipping and peeling of the coating layer 7 are likely to occur inside, and if b (W composition ratio) is more than 0.1, the hardness of the hard coating layer 8 decreases. A particularly desirable range of b is 0.01 ≦ b ≦ 0.08. Furthermore, when c (Si composition ratio) is more than 0.05, the hardness of the hard coating layer 8 is lowered. A particularly desirable range for c is 0.01 ≦ c ≦ 0.04. Further, when d (M composition ratio) is less than 0.01, the oxidation start temperature becomes low, and when d (M composition ratio) is more than 0.1, a part of the metal M is different from the cubic crystal. As a low hardness phase, the hardness of the hard coating layer 8 decreases. A particularly desirable range of d is 0.01 ≦ d ≦ 0.08.
なお、金属MはNb、Mo、Ta、Hf、Yから選ばれる1種以上であるが、中でもNbまたはMoを含有することが耐摩耗性・耐酸化性に最も優れる点があるから望ましい。 The metal M is at least one selected from Nb, Mo, Ta, Hf, and Y. Among them, the inclusion of Nb or Mo is desirable because it has the most excellent wear resistance and oxidation resistance.
また、上記硬質被覆層8の非金属成分であるC、Nは切削工具に必要な硬度および靭性に優れたものであり、硬質被覆層8の表面に発生するドロップレット(粗大粒子)を抑制するために、x(C組成比)の特に望ましい範囲は0≦x≦0.5である。ここで、本発明によれば、上記硬質被覆層8の組成は、エネルギー分散型X線分析法(EDX)またはX線光電子分光分析法(XPS)にて測定できる。 Further, C and N which are non-metallic components of the hard coating layer 8 are excellent in hardness and toughness required for the cutting tool, and suppress droplets (coarse particles) generated on the surface of the hard coating layer 8. Therefore, a particularly desirable range of x (C composition ratio) is 0 ≦ x ≦ 0.5. Here, according to the present invention, the composition of the hard coating layer 8 can be measured by energy dispersive X-ray analysis (EDX) or X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
また、上記硬質被覆層8は内部応力が高いものであるから厚膜化しても被覆層7がチッピングしにくく、硬質被覆層8の膜厚が0.5〜6μmであっても、硬質被覆層8自身の内部応力によって剥離やチッピングすることを防止できて十分な耐摩耗性を維持することができる。 Further, since the hard coating layer 8 has a high internal stress, the coating layer 7 is difficult to chip even if it is thickened, and even if the thickness of the hard coating layer 8 is 0.5 to 6 μm, the hard coating layer 8 It is possible to prevent peeling and chipping due to the internal stress of 8 itself, and to maintain sufficient wear resistance.
さらに、被覆層7は、硬質被覆層8と、AlN、周期表第4、5および6族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物のうち1つから選ばれる他の被覆層9との2層以上の多層とすることによって耐チッピング性を向上できる場合もある。なお、被覆層7の膜厚(硬質被覆層8と他の被覆層9との総膜厚)が0.5〜5.0μmであることが、硬質被覆層8の膜剥離やチッピングを防止し、十分な耐摩耗性を維持することができるため望ましい。なお、鋳鉄加工用の切削工具として用いる場合には、被覆層7の厚みが1μm〜3μmであることが望ましい。また、焼入鋼加工用の切削工具として用いる場合には、被覆層7の厚みが0.5μm〜5μmであることが望ましい。 Further, the coating layer 7 includes two layers, that is, a hard coating layer 8 and another coating layer 9 selected from one of AlN, carbides, nitrides, and carbonitrides of Periodic Tables 4, 5, and 6 metals. In some cases, the chipping resistance can be improved by using the above multilayer. The film thickness of the coating layer 7 (total film thickness of the hard coating layer 8 and the other coating layer 9) is 0.5 to 5.0 μm to prevent film peeling and chipping of the hard coating layer 8. This is desirable because sufficient wear resistance can be maintained. In addition, when using as a cutting tool for cast iron processing, it is desirable that the thickness of the coating layer 7 is 1 μm to 3 μm. Moreover, when using as a cutting tool for hardening steel processing, it is desirable that the thickness of the coating layer 7 is 0.5 micrometer-5 micrometers.
また、基体6は裏打板11を介して台座にロウ付けされており、前記cBN焼結体中の鉄族金属の濃度が裏打板11の界面からすくい面10表面に向かって減少している場合には、被覆層7の異常粒成長やヒートショックによる性能低下を防止できるという効果がある。
(製造方法)
次に、上述した工具の製造方法について説明する。
The base 6 is brazed to the pedestal via the
(Production method)
Next, the manufacturing method of the tool mentioned above is demonstrated.
例えば、原料粉末として平均粒径4〜6μmの粗粒cBN原料粉末と、平均粒径0.1〜1.5μmの微粒cBN原料粉末、平均粒径0.2〜3μmの周期表第4、5および6族金属から選ばれる1種または2種以上の元素の炭化物粉末、および必要により平均粒径0.5〜5μmのAlあるいは、0.5〜3μmの鉄族金属の内の少なくとも一種の原料粉末を特定の組成に秤量し16〜72時間ボールミルにて粉砕混合する。 For example, coarse cBN raw material powder having an average particle diameter of 4 to 6 μm, fine cBN raw material powder having an average particle diameter of 0.1 to 1.5 μm, and periodic tables 4 and 5 having an average particle diameter of 0.2 to 3 μm as the raw material powder. And carbide powder of one or more elements selected from Group 6 metals and, if necessary, at least one raw material of Al having an average particle size of 0.5 to 5 μm or iron group metals of 0.5 to 3 μm The powder is weighed to a specific composition and pulverized and mixed in a ball mill for 16 to 72 hours.
その後、必要があれば、所定形状に成形する。成形には、プレス成形、射出成形、鋳込み成形、押し出し成形等の周知の成形手段を用いることができる。 Thereafter, if necessary, it is molded into a predetermined shape. For molding, known molding means such as press molding, injection molding, cast molding, and extrusion molding can be used.
ついでこれを別途用意した超硬合金製裏打ち支持体と共に超高圧焼結装置に装入し、1200〜1600℃の範囲内の所定の温度に4〜6GPaの圧力下で10〜30分保持することによって、本発明の立方晶窒化硼素焼結体を得る。このとき、周期表第4、5および6族金属の炭化物と周期表第4、5および6族金属の窒化物が個々に存在した構造を有するには、昇温および降温速度を毎分30〜50℃とし、1400〜1600℃の範囲内の所定の温度に5GPaの圧力下で加熱保持時間を10〜15分とするのが好ましい。 Next, this is loaded together with a separately prepared cemented carbide backing support into an ultra-high pressure sintering apparatus and held at a predetermined temperature in the range of 1200 to 1600 ° C. under a pressure of 4 to 6 GPa for 10 to 30 minutes. Thus, the cubic boron nitride sintered body of the present invention is obtained. At this time, in order to have a structure in which the carbides of Group 4, 5, and 6 metals and the nitrides of Groups 4, 5, and 6 of the periodic table existed individually, the temperature rising and cooling rate was 30 to 30 minutes per minute. The heating and holding time is preferably 10 to 15 minutes under a pressure of 5 GPa at a predetermined temperature in the range of 1400 to 1600 ° C.
次に、基体6の表面に被覆層7を成膜する。硬質被覆層8の成膜方法として、イオンプレーティング法やスパッタリング法等の物理蒸着(PVD)法が好適に適応可能である。成膜方法の一例についての詳細として、硬質被覆層8をイオンプレーティング法で作製する場合について説明すると、金属チタン(Ti)、金属アルミニウム(Al)、金属タングステン(W)、金属シリコン(Si)、金属M(MはNb、Mo、Ta、Hf、Yから選ばれる1種以上)をそれぞれ独立に含有する金属ターゲットまたは複合化した合金ターゲットに用い、アーク放電やグロー放電などにより金属源を蒸発させイオン化すると同時に、窒素源の窒素(N2)ガスや炭素源のメタン(CH4)/アセチレン(C2H2)ガスと反応させて成膜する。また、成膜雰囲気として窒素(N2)ガスやアルゴン(Ar)ガスを1〜10Paの割合で導入することによって、硬質被覆層8の基体6に対する密着力と硬度が向上する。 Next, the coating layer 7 is formed on the surface of the substrate 6. A physical vapor deposition (PVD) method such as an ion plating method or a sputtering method can be suitably applied as a method for forming the hard coating layer 8. As a detailed example of the film forming method, a case where the hard coating layer 8 is produced by an ion plating method will be described. Metal titanium (Ti), metal aluminum (Al), metal tungsten (W), metal silicon (Si) , Metal M (where M is one or more selected from Nb, Mo, Ta, Hf, and Y) is used as a metal target or a composite alloy target, and the metal source is evaporated by arc discharge or glow discharge. At the same time, the film is formed by reacting with nitrogen (N 2 ) gas as a nitrogen source or methane (CH 4 ) / acetylene (C 2 H 2 ) gas as a carbon source. In addition, by introducing nitrogen (N 2 ) gas or argon (Ar) gas at a rate of 1 to 10 Pa as a film formation atmosphere, the adhesion and hardness of the hard coating layer 8 to the base 6 are improved.
なお、イオンプレーティング法やスパッタリング法で硬質被覆層8を成膜する際には、硬質被覆層8の結晶構造および配向性を制御して高硬度な被覆層を作製できるとともに基体6との密着性を高めるために成膜時に30〜200Vのバイアス電圧を印加することが好ましい。 When the hard coating layer 8 is formed by an ion plating method or a sputtering method, a hard coating layer can be produced by controlling the crystal structure and orientation of the hard coating layer 8, and the adhesion to the substrate 6 can be achieved. In order to enhance the properties, it is preferable to apply a bias voltage of 30 to 200 V during film formation.
原料粉末として平均粒子径5μmの粗粒cBN原料粉末を20体積%、0.8μmの微粒cBN原料粉末を60体積%、合わせてcBN原料粉末を80体積%、平均粒径1.2μmのTiC原料粉末17体積%、1.5μmの金属Al原料粉末3体積%を調合し、この粉体を、アルミナ製ボールを用いたボールミルで15時間混合した。
次に混合した粉体を圧力98MPaで加圧成形した。この成形体を、超高圧装置を用いて、50℃/分で昇温し、圧力5.0GPaで、1500℃で15分保持することにより焼成した後、50℃/分で降温することにより焼成してcBN質焼結体を得た。また、作製した焼結体からワイヤ放電加工によって所定の寸法に切り出し、超硬合金基体の切刃先端部に形成した切り込み段部にろう付けした。そして、このcBN焼結体の切刃に対してダイヤモンドホイールを用いて刃先処理(チャンファホーニング)を施した。
20% by volume of coarse cBN raw material powder with an average particle diameter of 5 μm as raw material powder, 60% by volume of fine cBN raw material powder with 0.8 μm, and 80% by volume of cBN raw material powder, and TiC raw material with an average particle diameter of 1.2 μm 17% by volume of powder and 3% by volume of 1.5 μm metallic Al raw material powder were prepared, and this powder was mixed for 15 hours by a ball mill using alumina balls.
Next, the mixed powder was pressure-molded at a pressure of 98 MPa. The molded body was fired by heating at 50 ° C./min using an ultra-high pressure apparatus, holding at 1500 ° C. for 15 minutes at a pressure of 5.0 GPa, and then firing by lowering the temperature at 50 ° C./min. As a result, a cBN sintered body was obtained. Moreover, it cut out to the predetermined dimension from the produced sintered compact by wire electric discharge machining, and brazed to the cutting step part formed in the cutting-blade front-end | tip part of a cemented carbide base. Then, the cutting edge of the cBN sintered body was subjected to blade edge processing (changing honing) using a diamond wheel.
このようにして作製した基体(JIS・CNGA120408のスローアウェイチップ形状)に対してアークイオンプレーティング法により被覆層の成膜を行った。具体的な成膜方法は、上記基体をアークイオンプレーティング装置にセットし500℃に加熱した後、窒素ガスを2.5Pa導入した雰囲気中、アーク電流100A、バイアス電圧50V、加熱温度500℃として表1に示す組成の被覆層を成膜した。また、被覆層の組成はキーエンス社製走査型電子顕微鏡(VE8800)を用いて倍率500倍にて観察を行い、同装置に付随のEDAXアナライザ(AMETEK EDAX−VE9800)を用いて加速電圧15kVにてエネルギー分散型X線分光分析(EDX)法の一種であるZAF法により組成の定量分析を行った。また、この方法で測定できなかった元素については、PHI社製X線光電子分光分析装置(Quantum2000)を用い、X線源はモノクロAlK(200μm、35W、15kV)を測定領域約200μmに照射して測定を行った。測定結果は表1に被覆層の組成として示した。 A coating layer was formed on the thus-prepared substrate (JIS / CNGA120408 throwaway tip shape) by arc ion plating. A specific film formation method is as follows. After the substrate is set in an arc ion plating apparatus and heated to 500 ° C., an arc current of 100 A, a bias voltage of 50 V, and a heating temperature of 500 ° C. are set in an atmosphere into which nitrogen gas is introduced at 2.5 Pa. A coating layer having the composition shown in Table 1 was formed. The composition of the coating layer was observed at a magnification of 500 using a scanning electron microscope (VE8800) manufactured by Keyence, and at an acceleration voltage of 15 kV using an EDAX analyzer (AMETEK EDAX-VE9800) attached to the apparatus. The composition was quantitatively analyzed by the ZAF method, which is a type of energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) method. For elements that could not be measured by this method, an X-ray photoelectron spectrometer (Quantum 2000) manufactured by PHI was used, and the X-ray source was irradiated with monochrome AlK (200 μm, 35 W, 15 kV) to a measurement region of about 200 μm. Measurements were made. The measurement results are shown in Table 1 as the composition of the coating layer.
次に、得られた溝入切削工具形状のスローアウェイチップ(切削工具)を用いて以下の切削条件にて切削試験を行った。結果は表1に合わせて示した。
切削方法:外径加工
被削材 :FC250、4本溝
切削速度:500m/min
送り :0.2mm/rev
切り込み:肩切り込み0.2mm、深さ切り込み0.4mm
切削状態:乾式
評価方法:摩耗幅0.1mmまたはチッピングが発生して加工不能になるまでに加工でき
た加工数量。
Next, a cutting test was performed under the following cutting conditions using the obtained grooved cutting tool-shaped throw-away tip (cutting tool). The results are shown in Table 1.
Cutting method: Outside diameter processed work material: FC250, 4-groove cutting speed: 500 m / min
Feeding: 0.2mm / rev
Cut: Shoulder cut 0.2mm, depth cut 0.4mm
Cutting state: Dry evaluation method: Can be processed until wear width is 0.1mm or chipping occurs and processing becomes impossible
Processing quantity.
表1に示される結果から、a(Al組成比)が0.55よりも大きい試料No.13では被覆層の結晶構造が一部立方晶から六方晶に変化してしまい工具の耐摩耗性が悪くなってクレータ摩耗が進行した。逆に、a(Al組成比)が0.45よりも小さい試料No.18でも被覆層の酸化開始温度が低く工具の耐摩耗性が悪くてクレータ摩耗が進行した。また、Wを含まずにb(W組成比)が0である試料No.11、12では工具にチッピングが発生してしまい、逆に、b(W組成比)が0.1を超える試料No.14では工具の耐摩耗性が悪く、いずれも工具寿命の短いものであった。さらに、c(Si組成比)が0.05を超える試料No.12、15および17でも工具の耐摩耗性が悪くてクレータ摩耗が進行した。また、M(Nb、Mo、Ta、Hf、Yから選ばれる1種以上)を含有しない試料No.12、18では、酸化開始温度が低下して切削した際に工具の摩耗量が大きく、逆に、d(M組成比)が0.1を超える試料No.16でも耐摩耗性が低下してクレータ摩耗が進行し工具寿命の短いものであった。 From the results shown in Table 1, a sample No. with a (Al composition ratio) larger than 0.55 was obtained. In No. 13, the crystal structure of the coating layer partially changed from cubic to hexagonal, resulting in poor wear resistance of the tool and crater wear. On the contrary, the sample No. a (Al composition ratio) is smaller than 0.45. No. 18, the oxidation start temperature of the coating layer was low and the wear resistance of the tool was poor, and crater wear progressed. Further, Sample No. No. that does not contain W and b (W composition ratio) is 0. In Nos. 11 and 12, chipping occurred in the tool, and conversely, sample Nos. With b (W composition ratio) exceeding 0.1. In No. 14, the wear resistance of the tool was poor, and all of them had a short tool life. Further, sample No. c with a c (Si composition ratio) exceeding 0.05 Also in 12, 15, and 17, crater wear progressed due to poor wear resistance of the tool. In addition, Sample No. containing no M (one or more selected from Nb, Mo, Ta, Hf, Y) was used. In Nos. 12 and 18, the amount of wear of the tool was large when the oxidation start temperature was lowered and cutting was performed, and conversely, sample Nos. With d (M composition ratio) exceeding 0.1. No. 16, the wear resistance was lowered, crater wear progressed, and the tool life was short.
これに対し、硬質層の組成が本発明の範囲内の試料No.1〜10では、耐酸化性が向上して優れた耐摩耗性を発揮するとともに耐欠損性も良好であり、その結果、工具寿命が長いものであった。 On the other hand, the composition of the hard layer is within the range of the present invention. In Nos. 1 to 10, the oxidation resistance was improved and excellent wear resistance was exhibited, and the fracture resistance was also good. As a result, the tool life was long.
平均粒子径5μmの粗粒cBN原料粉末、平均粒径0.8μmの微粒cBN原料粉末、平均粒径1.0μmのTiC原料粉末、平均粒径1.2μmのTiN原料粉末、平均粒径1.5μmのTiCN原料粉末、平均粒径1.2μmのZrC原料粉末、平均粒径1.2μmのZrN原料粉末、平均粒径0.9μmのWC原料粉末、平均粒径1.0μmのHfC原料粉末平均粒径1.5μmの金属Al原料粉末、平均粒径0.8μmの金属Co原料粉末を用いて、表2に示す組成となるように調合し、この粉体を、アルミナ製ボールを用いたボールミルで15時間混合した。次に混合した粉体を圧力98MPaでプレス成形した。この成形体を、超高圧、高温装置を用いて、表2に示す昇温速度で昇温し、圧力5.0GPaで、表2に示す焼成温度、時間で焼成した後、表2に示す降温速度で降温することにより焼成してcBN質焼結体を得た。実施例1と同様の工程で切削工具とし、被覆層の層厚を3.0μmとする以外は実施例1の試料No.7と同じ条件で成膜した(試料No.22〜31)。この試料を用いて上記と同様に切削評価した。結果は表3に示した。 Coarse cBN raw material powder having an average particle size of 5 μm, fine cBN raw material powder having an average particle size of 0.8 μm, TiC raw material powder having an average particle size of 1.0 μm, TiN raw material powder having an average particle size of 1.2 μm, an average particle size of 1. 5 μm TiCN raw material powder, ZrC raw material powder with an average particle size of 1.2 μm, ZrN raw material powder with an average particle size of 1.2 μm, WC raw material powder with an average particle size of 0.9 μm, HfC raw material powder with an average particle size of 1.0 μm A metal Al raw material powder having a particle size of 1.5 μm and a metal Co raw material powder having an average particle size of 0.8 μm were prepared so as to have the composition shown in Table 2, and this powder was ball milled using alumina balls. For 15 hours. Next, the mixed powder was press-molded at a pressure of 98 MPa. This molded body was heated at a temperature rising rate shown in Table 2 using an ultrahigh pressure and high temperature apparatus, fired at a pressure of 5.0 GPa at a firing temperature and time shown in Table 2, and then cooled down as shown in Table 2. CBN sintered body was obtained by firing at a reduced temperature. Sample No. 1 in Example 1 except that the cutting tool was used in the same process as Example 1 and the thickness of the coating layer was 3.0 μm. 7 was formed under the same conditions as in Sample 7 (Sample Nos. 22 to 31). Using this sample, cutting evaluation was performed in the same manner as described above. The results are shown in Table 3.
なお、cBN粒子の粒径は、まずcBN質焼結体の断面について走査型電子顕微鏡写真を撮り、写真から画像解析法により20個以上の各cBN粒子の面積を求めた。次に、CIS−019D−2005に規定された超硬合金の平均粒径の測定方法に準じてcBNの粒径を算出した。そして、cBN粒子の粒径分布をとって、分布が2つのピークを持つかどうかを確認した。そして、2つのピークを持つ場合は、表2に粗粒側のピークトップの粒径と微粒側のピークトップの粒径を示した。 As for the particle size of the cBN particles, first, a scanning electron micrograph was taken of a cross section of the cBN sintered body, and the area of each of 20 or more cBN particles was determined from the photograph by an image analysis method. Next, the particle size of cBN was calculated according to the measuring method of the average particle size of the cemented carbide specified in CIS-019D-2005. And the particle size distribution of cBN particle | grains was taken and it was confirmed whether distribution had two peaks. When there are two peaks, Table 2 shows the particle size of the peak top on the coarse particle side and the particle size of the peak top on the fine particle side.
表2、3から明らかなとおり、周期表4、5、6族金属から選ばれる1種以上の元素の炭化物を含まない試料No.26では耐摩耗性が悪くて加工数が少なかった。また、鉄族金属を含まない試料No.28ではチッピングが多発して加工数が少なかった。さらに、cBN粒子の含有比率が70体積%より少ない試料No.27では耐摩耗性が悪くて加工数が少なかった。さらに、焼結体中のcBN粒子の分布が粗粒と微粒の2つのピークを持たない試料No.29〜31では耐欠損性が悪くて加工数が少なかった。 As is apparent from Tables 2 and 3, Sample No. containing no carbide of one or more elements selected from Group 4, 5, and 6 metals. In No. 26, the wear resistance was poor and the number of processing was small. Sample No. containing no iron group metal was used. In 28, chipping occurred frequently and the number of processing was small. Furthermore, sample No. with a content ratio of cBN particles less than 70% by volume. In No. 27, the wear resistance was poor and the number of processing was small. Further, the sample No. 2 in which the distribution of cBN particles in the sintered body does not have two peaks of coarse particles and fine particles. In 29-31, the chipping resistance was poor and the number of processing was small.
これに対して、4〜6μmのcBN粗粒子と0.5〜1.2μmのcBN微粒子とのcBN粒子の周囲を、少なくとも周期表4、5、6族金属から選ばれる1種以上の元素の炭化物と鉄族金属を含む結合相で結合するとともに、特定の被覆層を形成した試料No.22〜25では、いずれも比較例に比べて工具寿命が長いものであった。 On the other hand, at least one element selected from Group 4, 5, and 6 metals on the periphery of cBN particles of 4-6 μm cBN coarse particles and 0.5-1.2 μm cBN fine particles. Sample No. 1 was bonded with a binder phase containing carbide and an iron group metal and formed with a specific coating layer. In 22-25, all had a long tool life compared with the comparative example.
1 切削工具(工具)
2 すくい面
3 逃げ面
4 切刃
6 基体(cBN焼結体)
7 硬質被覆層
8 被覆層
9 他の被覆層
10 チップ本体
11 裏打ち板
1 Cutting tool
2
7 Hard coating layer 8 Coating layer 9
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