JPH1094905A - Surface coated ceramic tools - Google Patents

Surface coated ceramic tools

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JPH1094905A
JPH1094905A JP27413596A JP27413596A JPH1094905A JP H1094905 A JPH1094905 A JP H1094905A JP 27413596 A JP27413596 A JP 27413596A JP 27413596 A JP27413596 A JP 27413596A JP H1094905 A JPH1094905 A JP H1094905A
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JP
Japan
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ceramic
tool
tool base
coating layer
ceramic coating
Prior art date
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Application number
JP27413596A
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Japanese (ja)
Inventor
Hideki Kato
英喜 加藤
Masaru Matsubara
優 松原
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Niterra Co Ltd
Original Assignee
NGK Spark Plug Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPH1094905A publication Critical patent/JPH1094905A/en
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 セラミック被覆層と工具基体との間の密着強
度に優れ、ひいては耐摩耗性及び耐欠損性に優れた表面
被覆セラミック工具を提供する。 【解決手段】 表面被覆セラミック工具1は、セラミッ
クスで構成された工具基体3と、気相成膜法によりその
工具基体3の表面を覆う単層又は複数層に形成されたセ
ラミック被覆層2とを備え、工具基体3を構成するセラ
ミックスの電気比抵抗が1Ω・cm以下とされる。セラ
ミック被覆層2は、帯電状態の工具基体3に対し、セラ
ミック被覆層2を構成すべき成分をイオン等の帯電粒子
の形でこれに付着(あるいは堆積)させることにより形
成される。これにより、セラミック被覆層2と工具基体
3との間の密着力を著しく高めることができ、ひいては
耐摩耗性及び耐欠損性に優れた表面被覆セラミック工具
が実現される。
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a surface-coated ceramic tool excellent in adhesion strength between a ceramic coating layer and a tool base, and further excellent in wear resistance and fracture resistance. SOLUTION: A surface-coated ceramic tool 1 includes a tool base 3 made of ceramic and a ceramic coating layer 2 formed in a single layer or a plurality of layers covering the surface of the tool base 3 by a vapor deposition method. The electrical resistivity of ceramics constituting the tool base 3 is set to 1 Ω · cm or less. The ceramic coating layer 2 is formed by adhering (or depositing) components to be included in the ceramic coating layer 2 to the charged tool base 3 in the form of charged particles such as ions. As a result, the adhesion between the ceramic coating layer 2 and the tool base 3 can be significantly increased, and a surface-coated ceramic tool having excellent wear resistance and chipping resistance can be realized.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、表面被覆セラミッ
ク工具に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a surface-coated ceramic tool.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、浸炭焼き入れ鋼、ダイス鋼、工具
鋼等の高硬度材の加工効率を高めるために、CBN(立
方晶窒化ホウ素)工具が使用されている。しかし、CB
N工具は切削性能には優れるものの、非常に高価である
ため、ユーザーの間では安価でかつCBN工具に匹敵す
る性能を有するセラミック工具の開発を望む声が高い。
そこで、例えば特開平4−289002号及び特開平5
−69205号公報に開示されているように、アルミナ
−炭化チタン系等の比較的安価なセラミックスを工具基
体として、その表面にアルミナ、炭化チタン、チタンと
アルミニウムとの合金の炭化物等からなるセラミック被
膜を形成することによリ、耐摩耗性に優れた工具を提供
する技術が開示されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, CBN (cubic boron nitride) tools have been used in order to increase the processing efficiency of hardened materials such as carburized hardened steel, die steel, and tool steel. However, CB
Although the N tool has excellent cutting performance, it is very expensive, so there is a strong demand among users for the development of a ceramic tool which is inexpensive and has a performance comparable to a CBN tool.
Therefore, for example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. Hei 4-289002 and Hei 5
As disclosed in JP-A-69205, a relatively inexpensive ceramic such as alumina-titanium carbide is used as a tool base, and a ceramic coating made of alumina, titanium carbide, carbide of an alloy of titanium and aluminum or the like is formed on the surface of the tool base. A technique for providing a tool having excellent wear resistance has been disclosed.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
な工具において、工具基体にセラミック被膜を形成する
方法としては、高周波スパッタ等の物理蒸着法が使用さ
れている。ここで、物理蒸着法で形成されたセラミック
被膜は、処理温度が低い(〜600℃)ことから被膜の
密着強度が低くなりがちであり、切削途中で膜が剥離し
たり、膜中の圧縮残留応力によって膜が自己破壊する問
題が生ずることがあった。そのため、そのような物理蒸
着法による被膜の密着強度を向上させるために、従来種
々の対策が講じられてきた。その一例としては、被膜形
成に先立って、例えぱArやH2ガスなどの気体イオン
を用いたスパッタクリーニングや、Tiなどの金属イオ
ンによるボンバードクリーニングにより基体の表面を清
浄化したり、被膜組成を傾斜化して膜内の圧縮応力を緩
和する等の方法が例示されるが、それら方法によって達
成される密着強度は必ずしも十分とはいえなかった。
In the above-mentioned tool, a physical vapor deposition method such as high-frequency sputtering is used as a method for forming a ceramic coating on a tool base. Here, the ceramic coating formed by the physical vapor deposition method tends to have low adhesion strength due to a low processing temperature (up to 600 ° C.). There was a problem that the film was self-destructed by the stress. Therefore, various measures have conventionally been taken in order to improve the adhesion strength of the coating by such a physical vapor deposition method. For example, prior to film formation, for example, the surface of the substrate is cleaned by sputter cleaning using gas ions such as Ar or H 2 gas, or bombard cleaning using metal ions such as Ti, or the composition of the film is inclined. For example, methods of reducing the compressive stress in the film are exemplified, but the adhesion strength achieved by these methods is not necessarily sufficient.

【0004】本発明の課題は、セラミック被膜と工具基
体との間の密着強度に優れ、ひいては耐摩耗性や耐欠損
性に優れた表面被覆セラミック工具を提供することにあ
る。
[0004] It is an object of the present invention to provide a surface-coated ceramic tool having excellent adhesion strength between a ceramic coating and a tool base, and further excellent wear resistance and fracture resistance.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段及び作用・効果】上述の課
題を解決するために、本発明の表面被覆セラミック工具
は、セラミックスで構成された工具基体と、気相成膜法
によりその工具基体の表面を覆う単層又は複数層に形成
されたセラミック被覆層とを備え、工具基体を構成する
セラミックスの電気比抵抗が1Ω・cm以下であること
を特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, a surface-coated ceramic tool according to the present invention comprises a tool base made of ceramics and a tool base formed by a vapor phase film forming method. And a ceramic coating layer formed in a single layer or a plurality of layers covering the surface, wherein a ceramic constituting the tool base has an electrical resistivity of 1 Ω · cm or less.

【0006】上記構成工具の構成においては、工具基体
が電気比抵抗が1Ω・cm以下のセラミックスにより構
成されており、成膜時に工具基体を正又は負に容易に帯
電させることができる。そして、その帯電状態の工具基
体に対し、セラミック被覆層を構成すべき成分をイオン
等の帯電粒子の形でこれに付着(あるいは堆積)させる
ことにより、上記成分の付着に基づいて形成されるセラ
ミック被覆層と工具基体との間の密着力を著しく高める
ことができ、ひいては耐摩耗性及び耐欠損性に優れた表
面被覆セラミック工具が実現される。
In the configuration of the above-described tool, the tool base is made of ceramics having an electric resistivity of 1 Ω · cm or less, and the tool base can be easily charged positively or negatively during film formation. Then, a component to form the ceramic coating layer is attached (or deposited) to the charged tool base in the form of charged particles such as ions, thereby forming a ceramic formed on the basis of the attachment of the component. The adhesion between the coating layer and the tool substrate can be significantly increased, and as a result, a surface-coated ceramic tool excellent in wear resistance and fracture resistance can be realized.

【0007】具体的には、セラミック被覆層は、該セラ
ミック被覆層の構成成分となるべき1又は複数種類のイ
オンを、該イオンとは逆極性に帯電させた工具基体の表
面に対し気相を介して付着させることにより形成された
ものとすることができる。そして、このような被膜を形
成するための代表的な気相成膜法として、イオンプレー
ティング法を例示することができる。
Specifically, the ceramic coating layer forms a gas phase on the surface of a tool substrate charged with one or more types of ions to be a constituent of the ceramic coating layer in the opposite polarity to the ions. It can be formed by adhering through the interface. An ion plating method can be exemplified as a typical vapor phase film forming method for forming such a film.

【0008】ここで、工具基体を構成するセラミックス
の電気比抵抗が1Ω・cmを超えると、工具基体は電圧
印加により分極を起こしやすくなり、必要な帯電状態を
形成することが困難になるので、形成されるセラミック
被覆層と工具基体との間に十分な密着力を確保すること
ができなくなる。なお、上記セラミックスとしては、よ
り望ましくはその電気比抵抗が0.7Ω・cm以下のも
のを使用するのがよい。
Here, if the electrical resistivity of the ceramics constituting the tool base exceeds 1 Ω · cm, the tool base is likely to be polarized by applying a voltage, and it becomes difficult to form a required charged state. It becomes impossible to secure a sufficient adhesion between the formed ceramic coating layer and the tool base. It is more preferable to use ceramics having an electric resistivity of 0.7 Ω · cm or less.

【0009】工具基体を構成するセラミックスは、その
平均結晶粒径が1μm以下の焼成体とすることが望まし
い。焼成体の平均結晶粒径が1μmを超えると、その電
気比抵抗の値を1Ω・cm以下に維持することが困難に
なる場合がある。例えば、後述するようにアルミナ等の
絶縁性セラミック粒子とTiN等の導電性セラミック粒
子とが混在した焼成体を用いる場合、焼成体の平均結晶
粒径が1μmを超えると導電性セラミック粒子の平均粒
径も大きくなり、その連なりによって形成される焼成体
の導電経路に迂回が生じやすくなって電気比抵抗の値が
増大する。なお、焼成体の平均結晶粒径は、より望まし
くは0.7μm以下とするのがよい。一方、工具基体を
構成するセラミックスは、そのビッカース硬度が200
0kg/mm2以上の焼成体とすることが望ましい。焼成
体のビッカース硬度が2000kg/mm2未満になる
と、工具として必要な耐磨耗性が確保できなくなる。な
お、焼成体は、より望ましくはそのビッカース硬度が2
100kg/mm2以上のものを用いるのがよい。
The ceramic constituting the tool base is desirably a fired body having an average crystal grain size of 1 μm or less. If the average crystal grain size of the fired body exceeds 1 μm, it may be difficult to maintain the value of the electric resistivity at 1 Ω · cm or less. For example, as described later, when a fired body in which insulating ceramic particles such as alumina and conductive ceramic particles such as TiN are mixed is used, if the average crystal grain size of the fired body exceeds 1 μm, the average particle diameter of the conductive ceramic particles is increased. The diameter also increases, and a detour easily occurs in the conductive path of the fired body formed by the series, and the value of the electrical resistivity increases. The average crystal grain size of the fired body is more desirably 0.7 μm or less. On the other hand, the ceramic constituting the tool base has a Vickers hardness of 200.
Desirably, the sintered body is 0 kg / mm 2 or more. If the Vickers hardness of the fired body is less than 2000 kg / mm 2 , the wear resistance required for a tool cannot be secured. The fired body more desirably has a Vickers hardness of 2
It is preferable to use a material of 100 kg / mm 2 or more.

【0010】次に、工具基体を構成するセラミックスと
しては、アルミナを主体に構成され、さらにTi、V、
Cr、Al、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及びWの炭
化物、窒化物及び炭窒化物(例えば、TiC、TiN、
TiCN、TaC、WC等)の1種又は2種以上を合計
で20〜40重量%含有する複合焼成体を使用すること
ができる。上記複合焼成体においては、上記炭化物、窒
化物及び炭窒化物の粒子が前述の導電性セラミック粒子
として機能し、その連なりによって焼成体の導電経路が
形成されるとともに、アルミナ粒子により強固な骨格が
形成されて焼成体の強度が高められている。このような
複合焼成体を使用することにより、本発明に必要とされ
る前述の電気比抵抗の条件を充足し、かつ十分な強度を
有する工具基体を得ることができる。
Next, ceramics constituting the tool base are mainly composed of alumina, and are further composed of Ti, V,
Cr, Al, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta and W carbides, nitrides and carbonitrides (eg, TiC, TiN,
A composite fired body containing one or more of TiCN, TaC, WC, etc.) in a total amount of 20 to 40% by weight can be used. In the composite fired body, the carbide, nitride, and carbonitride particles function as the conductive ceramic particles described above, and a continuous path forms a conductive path of the fired body. The strength of the fired body formed is increased. By using such a composite fired body, it is possible to obtain a tool base that satisfies the above-described condition of the electric resistivity required for the present invention and has sufficient strength.

【0011】なお、上記炭化物、窒化物及び炭窒化物の
合計含有量が20重量%未満になると、焼成体の電気比
抵抗を1Ω・cm以下に維持できなくなる。一方、40
重量%を超えると、焼結性が低下して緻密な焼成体を得
るのが困難となり、十分な強度を有する工具基体が得ら
れなくなる。なお、炭化物、窒化物及び炭窒化物の合計
含有量は、より望ましくは25〜35重量%の範囲で調
整するのがよい。
If the total content of the above-mentioned carbides, nitrides and carbonitrides is less than 20% by weight, the electrical resistivity of the fired body cannot be maintained at 1 Ω · cm or less. On the other hand, 40
If the content is more than 10% by weight, sinterability decreases, and it becomes difficult to obtain a dense fired body, and a tool base having sufficient strength cannot be obtained. The total content of carbide, nitride and carbonitride is more preferably adjusted in the range of 25 to 35% by weight.

【0012】工具基体を構成する上記複合焼成体には、
焼結助剤を0.2〜5.0重量%の範囲で添加すること
ができる。焼結助剤としては、例えばY23等の希土類
酸化物、及びMgO、CaO、SiO2等の1種又は2
種以上を使用することができる。焼結助剤の添加量が
0.2重量%末満になると、助剤添加による焼成体の緻
密化効果が十分に得られなくなる。また、5.0重量%
を超えると、結晶粒成長が生じて焼成体の強度が低下す
ることにつながる。なお、焼結助剤の添加量は、より望
ましくは0.5〜1.5重量%の範囲で調整するのがよ
い。
The composite fired body constituting the tool base includes:
A sintering aid can be added in the range of 0.2 to 5.0% by weight. Examples of the sintering aid include rare earth oxides such as Y 2 O 3 and one or two of MgO, CaO, SiO 2 and the like.
More than one species can be used. If the amount of the sintering aid is less than 0.2% by weight, the effect of adding the aid on densification of the fired body cannot be sufficiently obtained. In addition, 5.0% by weight
If it exceeds, crystal grain growth occurs, leading to a decrease in the strength of the fired body. In addition, the addition amount of the sintering aid is more desirably adjusted in the range of 0.5 to 1.5% by weight.

【0013】また、セラミック被覆層は、Ti、V、C
r、Al、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及びWの炭化
物、窒化物及び炭窒化物の1種又は2種以上を主体に構
成することができる。該材質で構成されたセラミック被
覆層は、焼成体との親和性に優れて高い密着性を有し、
また硬度も高く耐摩耗性等に優れる。なお、セラミック
被覆層は、1層のみを形成するようにしても、複数層に
形成してもいずれでもよく、後者の場合は複数の層の少
なくとも一部のもの同士の間でその材質を異ならせるよ
うにしてもよい。このようなセラミック被覆層を例えば
イオンプレーティング法で形成する場合には、例えば、
その構成金属成分源となる金属を抵抗加熱、電子ビーム
加熱、スッパタリング、あるいはアーク蒸発等の公知の
方法により蒸発させて気相化し、これに窒素ないし炭素
成分源となる窒素ガス、メタンガス等を導入・混合し、
さらに、グロー放電、コロナ放電、高周波放電、マイク
ロ波放電等の公知の方法によりイオン化して、帯電させ
た工具基体の表面にそれらイオンを付着させる方法を採
用することができる。
The ceramic coating layer is made of Ti, V, C
It can be mainly composed of one or more of carbides, nitrides and carbonitrides of r, Al, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta and W. The ceramic coating layer made of this material has excellent adhesion to the fired body and high adhesion,
It also has high hardness and excellent wear resistance. The ceramic coating layer may be formed as only one layer or may be formed as a plurality of layers. In the latter case, if the material is different between at least some of the plurality of layers. You may make it do. When such a ceramic coating layer is formed by, for example, an ion plating method, for example,
The constituent metal source metal is evaporated to a gas phase by a known method such as resistance heating, electron beam heating, sputtering, or arc evaporation, and nitrogen gas or methane gas serving as a nitrogen or carbon component source is added thereto. Introduce and mix,
Further, a method of ionizing by a known method such as glow discharge, corona discharge, high-frequency discharge, microwave discharge or the like and attaching these ions to the charged surface of the tool base can be adopted.

【0014】セラミック被覆層は、その合計厚さが0.
5〜5μmの範囲となるように形成することが望まし
い。合計厚さが0.5μm未満になると、被覆層が少し
摩耗しただけですぐ工具の寿命が尽きてしまうこととな
る。一方、合計厚さが5μmを超えると、膜中の残留応
力が大きくなって剥離等の問題が生じやすくなる。な
お、上記合計厚さは、より望ましくは0.5〜2μmの
範囲で調整するのがよい。
The ceramic coating layer has a total thickness of 0.1 mm.
It is desirable that the thickness be in the range of 5 to 5 μm. If the total thickness is less than 0.5 μm, the life of the tool will soon expire with only a slight wear of the coating layer. On the other hand, if the total thickness exceeds 5 μm, the residual stress in the film increases, and problems such as peeling are likely to occur. The total thickness is more desirably adjusted in the range of 0.5 to 2 μm.

【0015】なお、セラミック被覆層は、具体的には、
TiNを主体とする厚さ0.5〜2μmの単層として構
成することができる。このような被覆層は、単層であり
ながら密着強度と耐摩耗性に優れ、しかも製造が容易で
ある。また、該セラミック被覆層が黄金色に近い明るい
色調を示すのに対し、工具基体が前述の複合焼成体で構
成される場合にはこれが黒っぽい色調のものとなるの
で、例えば使用済みの工具エッジ等、セラミック被覆層
の摩滅が進んで下地となる工具基体部分が露出した場合
には、これを容易に判別することができる利点も有す
る。
Incidentally, the ceramic coating layer is, specifically,
It can be constituted as a single layer having a thickness of 0.5 to 2 μm mainly composed of TiN. Such a coating layer is excellent in adhesion strength and abrasion resistance while being a single layer, and is easy to manufacture. Further, while the ceramic coating layer shows a bright color tone close to golden color, when the tool base is made of the above-described composite fired body, it becomes a black color tone. Also, when the wear of the ceramic coating layer progresses and the tool base portion serving as the base is exposed, there is an advantage that this can be easily determined.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に示す実施例により説明する。図1は、本発明の表面被
覆セラミック工具の一実施例としての旋削用工具チップ
1(以下、単にチップともいう)を示している。該チッ
プ1は、図1(a)及び(b)に示すように、偏平な略
三角柱形状に形成された工具基体3の外面全体をセラミ
ック被覆層2で覆った構造を有しており、例えばその主
面1cがすくい面を、側面1eが逃げ面を形成する。同
図(c)に示すように、チップ1は、その各コーナー部
1aにアールが施され、また、各エッジ部1bには面取
りが施されている。また、同図(a)に示すように、そ
の主面1cの中央には、図示しないチップホルダにチッ
プ1を装着するためのねじ挿通孔1dが厚さ方向に貫通
して形成されている。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The embodiments of the present invention will be described below with reference to examples shown in the drawings. FIG. 1 shows a turning tool chip 1 (hereinafter also simply referred to as a chip) as one embodiment of a surface-coated ceramic tool of the present invention. As shown in FIGS. 1A and 1B, the chip 1 has a structure in which the entire outer surface of a tool base 3 formed in a flat and substantially triangular prism shape is covered with a ceramic coating layer 2. The main surface 1c forms a rake surface, and the side surface 1e forms a flank surface. As shown in FIG. 1C, the corners 1a of the chip 1 are rounded, and the edges 1b are chamfered. As shown in FIG. 1A, a screw insertion hole 1d for mounting the chip 1 in a chip holder (not shown) is formed in the center of the main surface 1c so as to penetrate in the thickness direction.

【0017】工具基体3は、アルミナを主体に構成さ
れ、さらにTi、V、Cr、Al、Zr、Nb、Mo、
Hf、Ta及びWの炭化物、窒化物及び炭窒化物(例え
ば、TiC、TiN、TiCN、TaC、WC等)の1
種又は2種以上を合計で20〜40重量%、望ましくは
25〜35重量%含有する複合焼成体として構成されて
おり、必要に応じて焼結助剤として、Y23等の希土類
酸化物、及びMgO、CaO、SiO2等の1種又は2
種以上が0.2〜5.0重量%、望ましくは0.5〜
1.5重量%の範囲で添加されている。そして、その平
均結晶粒径は1μm以下、望ましくは0.7μmとされ、
電気比抵抗は1Ω・cm以下、望ましくは0.7Ω・c
mで調整されている。また、そのビッカース硬度が20
00kg/mm2以上、望ましくは2100kg/mm2以上
で調整されている。
The tool base 3 is mainly composed of alumina, and further includes Ti, V, Cr, Al, Zr, Nb, Mo,
1 of carbides, nitrides and carbonitrides of Hf, Ta and W (for example, TiC, TiN, TiCN, TaC, WC, etc.)
It is configured as a composite fired body containing 20 to 40% by weight, preferably 25 to 35% by weight of a total of two or more kinds, and optionally, a rare earth oxide such as Y 2 O 3 as a sintering aid. And one or two of MgO, CaO, SiO 2, etc.
0.2 to 5.0% by weight, preferably 0.5 to
It is added in the range of 1.5% by weight. And the average crystal grain size is 1 μm or less, preferably 0.7 μm,
Electric resistivity is 1Ω · cm or less, preferably 0.7Ω · c
m. In addition, its Vickers hardness is 20
00kg / mm 2 or more, preferably is adjusted at 2100 kg / mm 2 or more.

【0018】また、セラミック被覆層2は、Ti、V、
Cr、Al、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及びWの炭
化物、窒化物及び炭窒化物の1種又は2種以上を主体に
構成された単層又は複数層からなる被覆層とされてお
り、その合計厚さが0.5〜5μm、望ましくは0.5
〜2μmの範囲で調整される(なお、図1では、セラミ
ック被覆層2の厚さは誇張して描いている)。本実施例
では、セラミック被覆層2は、具体的には、TiNを主
体とする厚さ0.5〜2μmの単層として構成されてい
る。
The ceramic coating layer 2 is made of Ti, V,
A coating layer composed of a single layer or a plurality of layers mainly composed of one or more of carbides, nitrides and carbonitrides of Cr, Al, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta and W. Having a total thickness of 0.5 to 5 μm, preferably 0.5
The thickness is adjusted in a range of about 2 μm (in FIG. 1, the thickness of the ceramic coating layer 2 is exaggerated). In the present embodiment, the ceramic coating layer 2 is specifically configured as a single layer mainly composed of TiN and having a thickness of 0.5 to 2 μm.

【0019】以下、上記工具チップ1の製造方法の一例
について説明する。まず、アルミナ粉末、上記炭化物、
窒化物ないし炭窒化物粉末、及び焼結助剤粉末等の原料
粉末を所定量配合し、これに必要に応じてバインダを添
加・混合して、これをプレス成形(冷間静水圧プレス法
を含む)あるいは射出成形等の公知の方法で成形するこ
とによりグリーン成形体を作製し、さらに該成形体を所
定の炉内で焼成することにより工具基体3を得る。な
お、上記方法に代えて、あるいは上記方法による焼成に
続いて、熱間静水圧プレス法による焼成を行ってもよ
い。
Hereinafter, an example of a method for manufacturing the tool tip 1 will be described. First, alumina powder, the above carbide,
A predetermined amount of raw material powders such as a nitride or carbonitride powder and a sintering aid powder are blended, a binder is added and mixed as necessary, and the mixture is press-formed (by a cold isostatic pressing method). ) Or a known method such as injection molding to produce a green molded body, and the molded body is fired in a predetermined furnace to obtain the tool base 3. In addition, you may perform the calcination by a hot isostatic press method instead of the said method, or following the calcination by the said method.

【0020】次に、この工具基体3の表面にイオンプレ
ーティング法によりセラミック被覆層2を形成する。図
2は(a)、アークイオンプレーティング装置の一例を
概念的に示しており、チャンバー10内にターンテーブ
ル式基板ホルダ31が配置されてこれに工具基体3が固
定される一方、これと対向して1ないし複数の蒸発源と
しての金属ターゲット33が設けられ、各々直流電源3
2に接続されている。チャンバー10内は、排気口10
aから減圧排気され、ガス導入口13から反応ガスとし
ての窒素ガスが導入される。そして、その状態で工具基
体3及び金属ターゲット33は、各直流電源32により
各々負に帯電するように電圧が印加されるが、その各印
加電圧のレベルは金属ターゲット33側が相対的に正、
工具基体3側が相対的に負となるように調整される。こ
れにより、金属ターゲット33と工具基体3との間には
アーク放電が生じ、その発熱により金属ターゲット33
を構成する金属原料が蒸発する一方、金属ターゲット3
3と工具基体3との間の電位勾配により蒸発した金属原
料及び窒素ガスがイオン化し、これを工具基体3の表面
に付着・堆積させることにより、TiNを主体とするセ
ラミック被覆層2(図1)が形成される。
Next, a ceramic coating layer 2 is formed on the surface of the tool base 3 by an ion plating method. FIG. 2 (a) conceptually shows an example of an arc ion plating apparatus, in which a turntable type substrate holder 31 is disposed in a chamber 10 and a tool base 3 is fixed thereto, while facing the same. Then, one or a plurality of metal targets 33 as evaporation sources are provided.
2 are connected. The chamber 10 has an exhaust port 10
The gas is exhausted under reduced pressure from a, and nitrogen gas as a reaction gas is introduced from the gas inlet 13. In this state, a voltage is applied to the tool base 3 and the metal target 33 by the DC power supplies 32 so as to be negatively charged, respectively, and the level of each applied voltage is relatively positive on the metal target 33 side.
The adjustment is performed so that the tool base 3 side is relatively negative. As a result, an arc discharge is generated between the metal target 33 and the tool base 3, and the heat generated by the arc discharge causes the metal target 33 to move.
While the metal raw material constituting
The metal raw material and the nitrogen gas evaporated by the potential gradient between the tool base 3 and the tool base 3 are ionized and adhered and deposited on the surface of the tool base 3 to thereby form the ceramic coating layer 2 mainly composed of TiN (FIG. 1). ) Is formed.

【0021】一方、図2(b)は、抵抗加熱蒸発式のイ
オンプレーティング装置の一例を概念的に示しており、
チャンバー10内に配置された図示しない基板ホルダを
介して工具基体3が固定され、これとほぼ対向する位置
に例えばボート状の抵抗加熱フィラメント11が設けら
れて、ここにセラミック被覆層2の金属成分源としての
金属原料(本実施例ではTi金属)Mが配置されるよう
になっている。そして、チャンバー10内を排気口10
aから減圧排気しつつ、加熱電源12により抵抗加熱フ
ィラメント11に通電して金属原料Mを加熱・蒸発させ
るとともに、ガス導入口13から反応ガスとしての窒素
ガスを導入する。そして、その状態で抵抗加熱フィラメ
ント11側が正、工具基体3側が負となるように直流電
源装置14によりバイアス電圧を印加して、蒸発した金
属原料及び窒素ガスをイオン化し、これを工具基体3の
表面に付着・堆積させることにより、TiNを主体とす
るセラミック被覆層2(図1)が形成される。
On the other hand, FIG. 2 (b) conceptually shows an example of a resistance heating evaporation type ion plating apparatus.
The tool base 3 is fixed via a substrate holder (not shown) disposed in the chamber 10, and a boat-like resistance heating filament 11, for example, is provided at a position substantially opposed to the tool base 3, and a metal component of the ceramic coating layer 2 is provided here. A metal material (Ti metal in this embodiment) M as a source is arranged. Then, the inside of the chamber 10 is
While evacuation is performed from a, the resistance heating filament 11 is energized by the heating power supply 12 to heat and evaporate the metal raw material M, and nitrogen gas as a reaction gas is introduced from the gas inlet 13. Then, in this state, a bias voltage is applied by the DC power supply 14 so that the resistance heating filament 11 side is positive and the tool base 3 side is negative, thereby ionizing the evaporated metal raw material and nitrogen gas. By adhering and depositing on the surface, a ceramic coating layer 2 (FIG. 1) mainly composed of TiN is formed.

【0022】なお、図3に示すように、チャンバー内に
金属網あるいは穴あき金属板等で構成された円筒状の容
器体18内に工具基体3を収容し、これをモータ19a
を含む回転機構19により周方向に回転させながら、該
容器体18を介して工具基体3を帯電させることによ
り、セラミック被覆層2(図1)を形成することもでき
る。これにより、工具基体3の外面全体に均一かつ能率
的にセラミック被覆層2を形成することができる。
As shown in FIG. 3, the tool base 3 is accommodated in a cylindrical container 18 formed of a metal mesh or a perforated metal plate in a chamber, and the tool base 3 is placed in a motor 19a.
The ceramic coating layer 2 (FIG. 1) can also be formed by charging the tool base 3 via the container body 18 while rotating the tool base 3 in the circumferential direction by the rotation mechanism 19 including. Thereby, the ceramic coating layer 2 can be uniformly and efficiently formed on the entire outer surface of the tool base 3.

【0023】[0023]

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。 (実施例1)A123粉末(平均粒径0.5μm)、T
iC、TiCN及びTiN粉末(平均粒径1μm)、焼
結助剤としてのMgO粉末(平均粒径0.2μm)及び
23粉末(平均粒径1μm)を各種配合割合で配合し
てボールミルにより湿式混合を行い、次いでこれを乾燥
して得られる原料粉末を圧力2ton/cm2で金型プ
レス成形することにより、所定の成形体を得た。次に、
この成形体を、不活性ガス雰囲気中で温度1700〜1
800℃で2時間予備焼成し、さらに温度1500℃、
圧力1500気圧で2時間HIP処理を行った後、得ら
れた焼成体を図1に示す形状に研削加工して工具基体と
した。なお、工具基体の寸法は、厚さ約4.76mm、一
辺が約13.5mmの偏平略三角柱形状であり、そのコー
ナー部1aに施されたアールの大きさRは約0.8mmと
した。また、エッジ部1bに施された面取り部は、図5
に示すように、主面1c側の幅tが約0.2mm、主面1
cに対する傾斜角度θが約25°となるように形成し
た。
Embodiments of the present invention will be described below. (Example 1) A1 2 0 3 powder (average particle size 0.5 [mu] m), T
iC, TiCN and TiN powder (average particle size 1 [mu] m), MgO powder as sintering aids (average particle size 0.2 [mu] m) and Y 2 0 3 powder were blended (average particle size 1 [mu] m) at various compounding ratio mill The mixture was wet-mixed, and then dried to obtain a raw material powder, which was subjected to press molding at a pressure of 2 ton / cm 2 to obtain a predetermined molded product. next,
This molded body is heated to a temperature of 1700 to 1 in an inert gas atmosphere.
Pre-baked at 800 ° C for 2 hours, and further at a temperature of 1500 ° C,
After performing HIP processing at a pressure of 1500 atm for 2 hours, the obtained fired body was ground into a shape shown in FIG. 1 to obtain a tool base. The dimensions of the tool base were a flat approximately triangular prism having a thickness of about 4.76 mm and one side of about 13.5 mm, and the radius R of the corner 1a was about 0.8 mm. Further, the chamfered portion provided to the edge portion 1b is shown in FIG.
As shown in the figure, the width t on the main surface 1c side is about 0.2 mm,
It was formed so that the inclination angle θ with respect to c was about 25 °.

【0024】こうして得られた工具基体の密度をアルキ
メデス法により、電気比抵抗を直流四端子法により測定
した。また、その平均粒径をSEMによる組織写真に基
づいて算出し、ビッカース硬度を所定のビッカース硬度
計により測定した。一方、各工具基体の組成をEDSに
より分析した。以上の結果を表1(実施例:試料No.
1〜5)及び表2(比較例:試料No.11〜15)に
示す。
The density of the tool substrate thus obtained was measured by the Archimedes method, and the electrical resistivity was measured by the DC four-terminal method. The average particle size was calculated based on a micrograph of the structure by SEM, and the Vickers hardness was measured by a predetermined Vickers hardness meter. On the other hand, the composition of each tool base was analyzed by EDS. The above results are shown in Table 1 (Example: Sample No.
1 to 5) and Table 2 (Comparative Example: Sample Nos. 11 to 15).

【0025】次に、得られた各工具基体3の表面に、既
存のアークイオンプレーティング装置によりセラミック
被覆層としての厚さ2μmのTiN層を形成して工具チ
ップとした。なお、イオンプレーティングの条件は、ア
ーク電流:100A、工具基体に対するバイアス電圧:
−100V、雰囲気圧力:1×10-2torr、成膜速度:
約0.1μm/minとした。そして、得られた各工具チッ
プに対し、TiN層2の密着強度をスクラッチテスター
を用いて測定した。すなわち、図4に示すように、ビッ
カース硬度測定用のダイヤモンド圧子25をTiN層2
に接触させ、圧子25に加える荷重Lを増大させながら
TiN層2に沿って該圧子25を移動させ、TiN層2
に破壊ないし剥離が生じ始める荷重(スクラッチ臨界荷
重)により密着強度を評価した。なお、試料の測定面の
面粗さは0.8μm Rmaxとし、荷重Lは、圧子25の
移動距離1mmにつき10N(ニュートン)の割合で増大
するように制御した。その結果を表1及び表2に示す。
Next, a 2 μm-thick TiN layer as a ceramic coating layer was formed on the surface of each of the obtained tool bases 3 using an existing arc ion plating apparatus to obtain a tool tip. The conditions of the ion plating were as follows: arc current: 100 A, bias voltage to the tool base:
-100 V, atmospheric pressure: 1 × 10 -2 torr, film forming speed:
It was about 0.1 μm / min. Then, the adhesion strength of the TiN layer 2 to each of the obtained tool tips was measured using a scratch tester. That is, as shown in FIG. 4, a diamond indenter 25 for measuring Vickers hardness is connected to the TiN layer 2.
, And while moving the indenter 25 along the TiN layer 2 while increasing the load L applied to the indenter 25, the TiN layer 2
The adhesive strength was evaluated by the load at which breakage or peeling began to occur (scratch critical load). The surface roughness of the measurement surface of the sample was set to 0.8 μm Rmax, and the load L was controlled so as to increase at a rate of 10 N (Newton) per 1 mm of the moving distance of the indenter 25. The results are shown in Tables 1 and 2.

【0026】[0026]

【表1】 [Table 1]

【0027】[0027]

【表2】 [Table 2]

【0028】以上の結果から明らかなように、本発明の
実施例に係る工具チップ(表1)については、TiN層
の密着強度が比較例(表2)の工具チップに比べて優れ
ていることがわかる。
As is clear from the above results, the tool tip according to the embodiment of the present invention (Table 1) has a better adhesion strength of the TiN layer than the tool tip of the comparative example (Table 2). I understand.

【0029】(実施例2)表1のNo.2の工具基体を
用いて、既存のアークイオンプレーティング装置によ
り、表3に示す各セラミック被覆層を種々の膜厚で形成
し(試料No.21〜34)、それらの密着強度を実施
例1と同様の方法により評価した。その結果を表3に示
す。
(Example 2) Using the tool base of No. 2 and the existing arc ion plating apparatus, each ceramic coating layer shown in Table 3 was formed in various thicknesses (Sample Nos. 21 to 34), and their adhesion strength was measured in Example 1. The evaluation was performed in the same manner as described above. Table 3 shows the results.

【0030】[0030]

【表3】 [Table 3]

【0031】すなわち、セラミック被覆層は、その厚さ
が5μm以下である場合は良好な密着強度を維持する
が、5μmを越えると密着強度が低下して剥離等が生じ
ていることがわかる。なお、セラミック被覆層は、厚さ
が2μm以下の場合に密着強度が特に良好である。
That is, when the thickness of the ceramic coating layer is 5 μm or less, good adhesion strength is maintained. However, when the thickness exceeds 5 μm, the adhesion strength decreases and peeling or the like occurs. Note that the ceramic coating layer has particularly good adhesion strength when the thickness is 2 μm or less.

【0032】(実施例3)実施例1及び2で作製した工
具チップを用い、図5において、工具チップ1の主面1
cをすくい面、側面1eを逃げ面として用いることによ
り、以下の条件により旋削テストを行った。実施例の工
具チップとしては、表3の試料No.21、22、2
4、25を、比較例の工具チップとしては表2の試料N
o.13及び14を使用した。 被削材:SCM415浸炭焼き入れ材(Hv:850〜
700) 切削速度:200m/min 送り速度:1回転当り0.1mm 切り込み量:0.3mm
(Embodiment 3) The tool tip prepared in Embodiments 1 and 2 was used, and in FIG.
Using c as a rake face and side face 1e as a flank face, a turning test was performed under the following conditions. As the tool tips of the examples, the sample Nos. 21, 22, 2
Sample Nos. 4 and 25 in Table 2 were used as the tool tips of Comparative Example.
o. 13 and 14 were used. Work material: SCM415 carburized hardened material (Hv: 850-850)
700) Cutting speed: 200m / min Feeding speed: 0.1mm per rotation Cutting depth: 0.3mm

【0033】そして、上記条件にて30分間旋削加工し
た後、各チップの平均逃げ面摩耗量(逃げ面1eに生ず
る摩耗領域の旋削方向における平均幅:VB摩耗量)を
測定した。結果を表4に示す。
[0033] Then, after 30 minutes turning under the above conditions, the average flank wear of each chip (average width in Turning direction of wearing region occurring flank 1e: V B wear amount) was measured. Table 4 shows the results.

【0034】[0034]

【表4】 [Table 4]

【0035】すなわち、本発明の実施例に係る工具チッ
プは、いずれもセラミック被覆層が剥離することなく、
またVB摩耗量も小さいことがわかる。
That is, in the tool tip according to the embodiment of the present invention, the ceramic coating layer does not peel off,
Also it can be seen that V B wear amount is small.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の表面被覆セラミック工具の一実施例と
しての工具チップを示す斜視図、側面部分断面模式図及
び部分拡大斜視図。
FIG. 1 is a perspective view showing a tool tip as an embodiment of a surface-coated ceramic tool of the present invention, a schematic side sectional partial view, and a partially enlarged perspective view.

【図2】イオンプレーティング装置の一例を示す概念
図。
FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating an example of an ion plating apparatus.

【図3】同じくその変形例を示す概念図。FIG. 3 is a conceptual diagram showing a modified example of the same.

【図4】スクラッチテストの方法説明図。FIG. 4 is an explanatory diagram of a scratch test method.

【図5】工具チップのエッジ部分を拡大して示す側面断
面模式図。
FIG. 5 is a schematic side sectional view showing an enlarged edge portion of the tool tip.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 旋削用工具チップ(表面被覆セラミック工具) 2 セラミック被覆層 3 工具基体 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Turning tool tip (surface-coated ceramic tool) 2 Ceramic coating layer 3 Tool base

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 セラミックスで構成された工具基体と、 気相成膜法によりその工具基体の表面を覆う単層又は複
数層に形成されたセラミック被覆層とを備え、 前記工具基体を構成するセラミックスの電気比抵抗が1
Ω・cm以下であることを特徴とする表面被覆セラミッ
ク工具。
1. A tool base comprising: a tool base made of ceramics; and a ceramic coating layer formed in a single layer or a plurality of layers covering a surface of the tool base by a vapor deposition method. Has an electrical resistivity of 1
A surface-coated ceramic tool characterized by being Ω · cm or less.
【請求項2】 前記セラミック被覆層は、該セラミック
被覆層の構成成分となるべきイオンを、該イオンとは逆
極性に帯電させた前記工具基体の表面に対し気相を介し
て付着させることにより形成されたものである請求項1
記載のセラミック工具。
2. The ceramic coating layer according to claim 1, wherein ions to be constituents of the ceramic coating layer are attached to a surface of the tool base charged to a polarity opposite to that of the ions via a gas phase. Claim 1 which is formed
The described ceramic tool.
【請求項3】 前記工具基体を構成するセラミックス
は、その平均結晶粒径が1μm以下の焼成体である請求
項1又は2に記載のセラミック工具。
3. The ceramic tool according to claim 1, wherein the ceramic constituting the tool base is a fired body having an average crystal grain size of 1 μm or less.
【請求項4】 前記工具基体を構成するセラミックス
は、そのビッカース硬度が2000kg/mm2以上の焼
成体である請求項1ないし3のいずれかに記載のセラミ
ック工具。
4. The ceramic tool according to claim 1, wherein the ceramic forming the tool base is a fired body having a Vickers hardness of 2000 kg / mm 2 or more.
【請求項5】 前記工具基体を構成するセラミックス
は、アルミナを主体に構成され、さらにTi、V、C
r、Al、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及びWの炭化
物、窒化物及び炭窒化物の1種又は2種以上を合計で2
0〜40重量%含有する複合焼成体である請求項1ない
し4のいずれかに記載のセラミック工具。
5. The ceramic constituting the tool base is mainly composed of alumina, and further comprises Ti, V, C
One or more of carbides, nitrides and carbonitrides of r, Al, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta and W are 2 in total
The ceramic tool according to any one of claims 1 to 4, which is a composite fired body containing 0 to 40% by weight.
【請求項6】 前記セラミック被覆層は、Ti、V、C
r、Al、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及びWの炭化
物、窒化物及び炭窒化物の1種又は2種以上を主体に構
成されるものである請求項1ないし5のいずれかに記載
のセラミック工具。
6. The ceramic coating layer is made of Ti, V, C
6. The method according to claim 1, wherein one or more of carbides, nitrides and carbonitrides of r, Al, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta and W are mainly constituted. Ceramic tools.
【請求項7】 前記セラミック被覆層は、TiNを主体
とする厚さ0.5〜2μmの単層として構成されている
請求項6記載のセラミック工具。
7. The ceramic tool according to claim 6, wherein said ceramic coating layer is formed as a single layer mainly composed of TiN and having a thickness of 0.5 to 2 μm.
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