JP2006082209A - 表面被覆切削工具 - Google Patents
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Abstract
【課題】 本発明の目的は、被膜の耐摩耗性と耐酸化特性とを飛躍的に向上させた表面被覆切削工具を提供することにある。
【解決手段】 本発明は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、該被膜は、AlまたはCrのいずれか一方または両方の元素と、Zrと、炭素、窒素、酸素およびホウ素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素とにより構成される化合物を含むことを特徴としている。
【選択図】 なし
【解決手段】 本発明は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、該被膜は、AlまたはCrのいずれか一方または両方の元素と、Zrと、炭素、窒素、酸素およびホウ素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素とにより構成される化合物を含むことを特徴としている。
【選択図】 なし
Description
本発明は、ドリル、エンドミル、ドリル用刃先交換型チップ、エンドミル用刃先交換型チップ、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削加工用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどの切削工具に関し、特にその表面に耐摩耗性等を向上させる被膜を形成した鋼/鋳物加工用に好適な表面被覆切削工具に関する。
昨今の切削加工では、高速、高精度、高能率加工への追求に加え、環境対策としてのゼロエミッション加工としてドライ加工も志向されている。加えて、工業技術の進歩にともない、航空機、宇宙開発、原子力発電などに使用される難削材や新素材を多く使用する産業の活動がますます活発化し、質的な多様化と量的な拡大が一層進むと見られ、これらの切削加工についても当然その対応が求められている。
特に、このような状況下において切削加工時における工具刃先温度はますます高温になる傾向にあり、その結果として切削工具の寿命は短命化するため、それを改善するべく切削工具にはさらに高度な耐摩耗性と耐酸化特性等の特性が要求されるようになってきている。
このような課題に対して、種々の表面被覆切削工具が数多く提案され、また実用化されてきた。たとえば、耐摩耗性および表面保護機能改善のため、WC基超硬合金、サーメット、高速度鋼等の切削工具や耐摩耗工具等の硬質基材の表面に、硬質被覆層として、(AlxTi1-x-ySiy)(NzC1-z)、ただし、0.05≦x≦0.75、0.01≦y≦0.1、0.6≦z≦1のようなAlTiSi系の膜が被覆されたものが知られている(特許文献1)。しかし、このような構成の切削工具では、上記のような高度な特性の要求に対しては未だ十分には対応できていない。
また、Siを適量含有したTiを主成分とする窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物と、TiとAlを主成分とする窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物とを、前者の微細組織構造が、Tiを主成分とする窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物中に、Si3N4およびSiが独立相として存在するようにそれぞれ一層以上交互に被覆すると、乾式の高速切削加工において切削工具の性能が極めて良好になることが提案されている(特許文献2)。
この提案によれば、従来のTiAlN膜では切削加工において起こる表面酸化で形成されるアルミナ層は酸素の内向拡散に対し酸化保護膜として機能するものの、動的な切削加工においては、最表面のアルミナ層は、その直下のポーラスなTi酸化物層より容易に剥離してしまい酸化の進行に対して十分でないとされ、これに対して該提案のTiSi系被膜は膜自体の耐酸化性が極めて高いだけではなく、最表面にSiを含む非常に緻密なTiとSiの複合酸化物が形成されるので、従来問題となっていたポーラスなTi酸化物層が形成されず、以って性能が向上するとされている。さらに、この提案によれば、TiAl系膜の直上にTiSi系被膜を被覆することが重要であるとされ、その被覆の順序も規定されている。しかし、このような構成の切削工具においても、上記のような高度な特性の要求に対しては未だ十分には対応できていない。
一方、従来のTiAlN膜よりも耐摩耗性に優れた切削工具用硬質皮膜として(Alb,[Cr1-αVα]c)(C1-dNd)からなる硬質皮膜(ただし0.5≦b≦0.8、0.2≦c≦0.5、b+c=1、0.5≦d≦1、0.05≦α≦0.95)または(Ma,Alb,[Cr1-αVα]c)(C1-dNd)からなる硬質皮膜(ただし0.02≦a≦0.3、0.5≦b≦0.8、0.05≦c、a+b+c=1、0.5≦d≦1、0≦α≦1、MはTi、Nb、W、Ta、Mo)を備えた切削工具が提案されている(特許文献3)。
この提案によれば、金属成分のうちAlを高含有にさせながらCrとVを添加することで常温常圧で準安定相である立方晶のAlNを形成し、高硬度と耐酸化特性を向上させている。しかし、切削過程において高速、高能率加工や完全に潤滑油剤を使わないドライ加工を行なうためには、これらの皮膜は硬度および高温での皮膜の安定性が不足しており、上記のような高度な特性の要求に対しては十分には対応できていない。
特許第2793773号公報
特許第3347687号公報
特開2003−34859号公報
本発明は、上記のような現状に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、被膜の耐摩耗性と耐酸化特性とを飛躍的に向上させた表面被覆切削工具を提供することにある。
本発明は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、該被膜は、AlまたはCrのいずれか一方または両方の元素と、Zrと、炭素、窒素、酸素およびホウ素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素とにより構成される化合物を含むことを特徴としている。
また、本発明は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、該被膜は、AlまたはCrのいずれか一方または両方の元素と、元素周期律表のIVa族元素、Va族元素、VIa族元素およびSiからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素と、Zrと、炭素、窒素、酸素およびホウ素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素とにより構成される化合物を含むことを特徴としている。
また、本発明は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、該被膜は、2以上の被覆層により構成されており、該被覆層のうちの第1の層は、AlまたはCrのいずれか一方または両方の元素と、Zrと、炭素、窒素、酸素およびホウ素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素とにより構成される化合物を含み、該被覆層のうちの第2の層は、元素周期律表のIVa族元素、Va族元素、VIa族元素、AlおよびSiからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素と、炭素、窒素、酸素およびホウ素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素とにより構成される化合物を含むことを特徴としている。なお、上記被膜は、上記第1の層および上記第2の層以外の第3の層を含むものとすることができる。
ここで、上記被膜は、0.05μm以上20μm以下の厚みを有することが好ましい。また、上記化合物中における上記Zrの濃度は、金属成分に対して0.001原子%以上20原子%以下であることが好ましい。
また、上記被膜は、立方晶の結晶構造を有することが好ましい。また、上記被膜表面において、上記表面被覆切削工具の刃先稜線部分近傍であって被削材と接触する部位の面粗さが、上記表面被覆切削工具の断面から観察する方法で測定される基準長さ5μmに対して、最大面粗さRmaxが1.5μm以下であることが好ましい。
また、上記被膜は、−6GPa以上0GPa以下の残留圧縮応力を有することが好ましく、アーク式イオンプレーティング法またはマグネトロンスパッタリング法により形成されることが好ましい。
また、上記基材は、超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化硅素焼結体、または酸化アルミニウムと炭化チタンとからなる混合体のいずれかであることが好ましい。
また、上記表面被覆切削工具は、ドリル、エンドミル、ドリル用刃先交換型チップ、エンドミル用刃先交換型チップ、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削加工用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマまたはタップのいずれかであることが好ましい。
本発明の表面被覆切削工具は、上記の構成、特に被膜中にZrを含むことにより、被膜の耐摩耗性と耐酸化特性とが飛躍的に向上したものとなる。
<表面被覆切削工具>
本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備える構成を有する。ここで、基材上に形成された被膜とは、該被膜が基材上に直接接するように形成されている場合のみに限らず、基材と被膜との間に後述するような任意の中間層が形成されていても差し支えない。本願において基材上に形成された被膜という場合は、このように任意の中間層が形成された場合も含むものとする。さらに、該被膜の表面には、後述するような任意の表面層が形成されていても差し支えない。
本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備える構成を有する。ここで、基材上に形成された被膜とは、該被膜が基材上に直接接するように形成されている場合のみに限らず、基材と被膜との間に後述するような任意の中間層が形成されていても差し支えない。本願において基材上に形成された被膜という場合は、このように任意の中間層が形成された場合も含むものとする。さらに、該被膜の表面には、後述するような任意の表面層が形成されていても差し支えない。
このような本発明の表面被覆切削工具は、ドリル、エンドミル、ドリル用刃先交換型チップ、エンドミル用刃先交換型チップ、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削加工用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマまたはタップのいずれかであるような切削工具として好適に用いることができる。そして特に、被膜の耐摩耗性と耐酸化特性とが飛躍的に向上したものであるため、鋼/鋳物加工用に好適な表面被覆切削工具として用いることができる。
<基材>
本発明の表面被覆切削工具に用いられる基材は、この種の用途の基材として従来公知のものであればいずれのものも使用することができる。たとえば、超硬合金(たとえばWC基超硬合金、WCの他、Coを含み、あるいはさらにTi、Ta、Nb等の炭窒化物を添加したものも含む)、サーメット(TiC、TiN、TiCN等を主成分とするもの)、高速度鋼、セラミックス(炭化チタン、炭化硅素、窒化硅素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど)、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化硅素焼結体、または酸化アルミニウムと炭化チタンとからなる混合体のいずれかであることが好ましい。
本発明の表面被覆切削工具に用いられる基材は、この種の用途の基材として従来公知のものであればいずれのものも使用することができる。たとえば、超硬合金(たとえばWC基超硬合金、WCの他、Coを含み、あるいはさらにTi、Ta、Nb等の炭窒化物を添加したものも含む)、サーメット(TiC、TiN、TiCN等を主成分とするもの)、高速度鋼、セラミックス(炭化チタン、炭化硅素、窒化硅素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど)、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化硅素焼結体、または酸化アルミニウムと炭化チタンとからなる混合体のいずれかであることが好ましい。
<被膜>
本発明の被膜は、上記の基材上に形成されるものである限り、必ずしも上記基材を全面に亘って被覆している必要はなく、上記基材の表面に該被膜が形成されていない部分が含まれていても差し支えない。なお、被膜を一旦形成した後に、任意の後加工によりその被膜の表面の一部が除去される場合には、それが除去された後に新たに最表面に露出した層についても本発明の対象の被膜となり得る。また、後述のように基材と被膜との間に中間層が形成されている場合において、その被膜が任意の後加工により除去されて中間層が最外層として露出する場合には、その露出部分については該中間層が本発明の被膜となり得る。
本発明の被膜は、上記の基材上に形成されるものである限り、必ずしも上記基材を全面に亘って被覆している必要はなく、上記基材の表面に該被膜が形成されていない部分が含まれていても差し支えない。なお、被膜を一旦形成した後に、任意の後加工によりその被膜の表面の一部が除去される場合には、それが除去された後に新たに最表面に露出した層についても本発明の対象の被膜となり得る。また、後述のように基材と被膜との間に中間層が形成されている場合において、その被膜が任意の後加工により除去されて中間層が最外層として露出する場合には、その露出部分については該中間層が本発明の被膜となり得る。
このような本発明の被膜は、まずAlまたはCrのいずれか一方または両方の元素と、Zrと、炭素、窒素、酸素およびホウ素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素とにより構成される化合物を含むことを特徴としている(以下、便宜的にこのような被膜を第1被膜とも記す)。
このように該被膜は、AlまたはCrのいずれか一方または両方の元素を含むことにより耐酸化特性が向上するとともに、熱伝導率が高くなり、これにより切削加工時の発熱を被膜表面から逃がすことができるので被膜表面が高温になるような用途にも適したものとなる。
また、該被膜(化合物)は、炭素、窒素、酸素およびホウ素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を含むことにより、高硬度を有したものとなる。
さらに該被膜(化合物)は、Zrを含むことにより耐摩耗性が飛躍的に向上したものとなる。該被膜がZrを含むことによりなぜ耐摩耗性が向上するのかその詳細なメカニズムは未だ十分には解明されていないものの、切削中に発生した熱の影響によりZrがZrO2に変化することにより耐酸化被膜と同様の作用を奏し、以ってこの作用により結果的に耐摩耗性が向上するのではないかと考えられる。
このようなZrは、たとえば後述のような方法で被膜を形成する際に、被膜を形成する物質とZrとを共存させることにより、被膜中(化合物中)に含めることができる。
このように、本発明の被膜は、以上の作用が相乗的に作用することにより、耐摩耗性と耐酸化特性が飛躍的に向上したものとなる。このような被膜に含まれる、AlまたはCrのいずれか一方または両方の元素と、Zrと、炭素、窒素、酸素およびホウ素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素とにより構成される化合物としては、たとえばAl1-xZrxN、Al1-x-yCrxZryN、Al1-x-yCrxZryCN、Al1-x-yCrxZryBN等(式中、x、yは1以下の任意の数)を挙げることができる。
特にこのような化合物として、金属成分(Al、Cr、Zr)に対してAlを50原子%以上75原子%以下含んでいることが好ましい。より好ましくは、その上限が70原子%、その下限が55原子%である。Alが50原子%未満では十分な耐摩耗性を得ることができず、75原子%を超えると結晶系が好ましい結晶系である立方晶を形成するのが困難となることがある。
さらに、上記化合物としては、上記AlとともにCrを含んでいることが好ましく、この場合Crは金属成分に対して20原子%以上50原子%以下となることが好ましい。より好ましくは、その上限が40原子%、その下限が30原子%である。Crが20原子%未満では十分な耐摩耗性が得られず、50原子%を超えると硬度が低下することがある。
また、上記化合物中におけるZrの濃度は、金属成分に対して0.001原子%以上20原子%以下とすることが好ましい。0.001原子%未満の場合には、Zrの含有によりもたらされる上記のような効果が十分に示されない場合がある。また20原子%を超えると、被膜の硬度を劣化させる場合がある。したがって、このようなZr濃度は、より好ましくはその上限が10原子%、その下限が0.1原子%である。なお、化合物中の各元素濃度は、XPS(X線電子分光)法、SIMS(二次イオン質量分析計)法、ICP(誘導結合高周波プラズマ分光分析)法等により測定することができる。
一方、本発明の被膜は、AlまたはCrのいずれか一方または両方の元素と、元素周期律表のIVa族元素、Va族元素、VIa族元素およびSiからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素と、Zrと、炭素、窒素、酸素およびホウ素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素とにより構成される化合物を含むことを特徴とするものも含まれる(以下、便宜的にこのような被膜を第2被膜とも記す)。
このような被膜は、上記の第1被膜で述べた各特性に加え、IVa族元素、Va族元素、VIa族元素およびSiからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素をさらに含むことにより、基材との密着強度が向上するとともに、被膜の硬度、特に高温時の被膜硬度がさらに向上したものとなる。ただし、IVa族元素に含まれるTiは、Zrを含む当該化合物中において使用する場合、耐酸化特性を劣化させる傾向を示すことから、選択しないことが好ましい。
ここで、AlまたはCrのいずれか一方または両方の元素と、元素周期律表のIVa族元素、Va族元素、VIa族元素およびSiからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素と、Zrと、炭素、窒素、酸素およびホウ素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素とにより構成される化合物としては、たとえばAl1-x-yVxZryN、Al1-x-y-zCrxVyZrzN、Al1-x-y-zCrxVyZrzCN、Al1-x-y-zCrxSiyZrzN等(式中、x、y、zは1以下の任意の数)を挙げることができる。
特にこのような化合物として、金属成分(炭素、窒素、酸素、ホウ素以外の元素)に対してAlを50原子%以上75原子%以下含んでいることが好ましい。より好ましくは、その上限が70原子%、その下限が55原子%である。Alが50原子%未満では十分な耐摩耗性を得ることができず、75原子%を超えると結晶系が好ましい結晶系である立方晶を形成するのが困難となることがある。
さらに、上記化合物としては、上記AlとともにCrまたは元素周期律表のIVa族元素、Va族元素、VIa族元素およびSiからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を含んでいることが好ましく(ただし前述のようにTiは除く)、この場合Crまたは元素周期律表のIVa族元素、Va族元素、VIa族元素およびSiからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素は金属成分に対して20原子%以上50原子%以下となることが好ましい。より好ましくは、その上限が40原子%、その下限が30原子%である。Crまたは元素周期律表のIVa族元素、Va族元素、VIa族元素およびSiからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素が20原子%未満では十分な耐摩耗性が得られず、50原子%を超えると硬度が低下することがある。
また、上記化合物中におけるZrの濃度は、金属成分に対して0.001原子%以上20原子%以下とすることが好ましい。0.001原子%未満の場合には、Zrの含有によりもたらされる上記のような効果が十分に示されない場合がある。また20原子%を超えると、被膜の硬度を劣化させる場合がある。したがって、このようなZr濃度は、より好ましくはその上限が10原子%、その下限が0.1原子%である。なお、化合物中の各元素濃度は、上記の通り、XPS(X線電子分光)法、SIMS(二次イオン質量分析計)法、ICP(誘導結合高周波プラズマ分光分析)法等により測定することができる。
さらに本発明の被膜は、2以上の被覆層により構成されたものとすることができ、該被覆層のうちの第1の層は、AlまたはCrのいずれか一方または両方の元素と、Zrと、炭素、窒素、酸素およびホウ素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素とにより構成される化合物を含み、該被覆層のうちの第2の層は、元素周期律表のIVa族元素、Va族元素、VIa族元素、AlおよびSiからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素と、炭素、窒素、酸素およびホウ素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素とにより構成される化合物を含むことを特徴とすることができる(以下、便宜的にこのような被膜を第3被膜とも記す)。
このような被膜において、上記第1の層と上記第2の層とは、いずれの層が基材側に形成されていても差し支えなく、それらの上下関係は特に制限されない。しかし、第2の層を基材側に配置し、その上に第1の層を配置する構成とすることが好ましい。
また上記第1の層と上記第2の層は、いずれの層も複数の層を積層して構成することができ、この場合、第1の層と第2の層とを交互に積層したような構成のものとすることもできる。さらにこの第1の層と第2の層との間には、後述するような中間層や表面層が存在するように積層されたものであっても差し支えない。
このように第3被膜は、上記第1の層および上記第2の層以外の第3の層を含むことができる。この第3の層は、上記第1の層と上記第2の層との間に形成される後述の中間層や表面層を含む他、この第3被膜と基材との間に形成される中間層や、この第3被膜の表面に形成される表面層も含まれる。
このような第3被膜は、上記の第1被膜および第2被膜で述べた各特性に加え、第1の層と第2の層とを積層したことにより、第2の層の作用により基材との密着強度がさらに向上し、しかも被膜の硬度、特に高温時の被膜硬度がさらに向上したものとなる。この点、上記第2の層として、特に好ましくは、TiN、TiCN、TiAlN等を挙げることができる。なお、第1の層の化合物としては、上記第1被膜で例示したものと同様のものを挙げることができる。
なお、以上の第1被膜〜第3被膜の各被膜は、化学的安定性の観点から結晶性の高い化合物を形成することができる成膜プロセスで形成されることが好ましい。たとえば、気相合成法や物理的蒸着法を好適な例として挙げることができる。物理的蒸着法としては、スパッタリング法や真空蒸着法等を挙げることができるが、特にアーク式イオンプレーティング法またはマグネトロンスパッタリング法により形成されることが好ましい。
また、上記各被膜は、0.05μm以上20μm以下の厚み(被膜が複数の層で形成される場合はその合計厚み)を有することが好ましい。0.05μm未満の場合には、耐摩耗性が十分に向上しない場合があり、20μmを超えると、被膜自体の残留応力が大きくなり基材との密着強度が低下したり、工具の靭性が劣化する場合がある。したがって、このような被膜の厚みは、より好ましくはその上限が10μm、さらに好ましくは6μm、その下限が0.1μm、さらに好ましくは0.5μmである。なお、このような被膜の厚みは、たとえば表面被覆切削工具を切断し、その断面をSEM(走査型電子顕微鏡)を用いて観察することにより測定することができる。
また、上記各被膜は、立方晶の結晶構造を有することが好ましい。立方晶は、優れた硬度を有するとともに化学的安定性にも優れるからである。これに対して正方晶、斜方晶、あるいは非晶質等立方晶以外の結晶構造は、耐摩耗性が劣化する場合がある。
なお、上記被膜表面において、上記表面被覆切削工具の刃先稜線部分近傍であって被削材と接触する部位の面粗さが、上記表面被覆切削工具の断面から観察する方法で測定される基準長さ5μmに対して、最大面粗さRmaxが1.5μm以下であることが好ましい。このように被膜表面を平滑にすることにより被削材の溶着を抑制することができ、その結果として表面被覆切削工具の寿命を長寿命化することができる。
上記最大面粗さRmaxが1.5μmを超えると、被削材の溶着が著しく増加し、被削材自体の面粗さや表面被覆切削工具の寿命を劣化させる場合がある。この点、最大面粗さRmaxは1.3μm以下であることが好ましく、1.0μm以下であることがより好ましい。
ここで、上記被膜表面とは、上記被膜が複数の層で形成される場合には、該被膜の最外層の表面をいうものとする。したがって、被膜表面に後述の表面層が形成されている場合には、被膜表面とはこの表面層の表面をいうものとする。
また、面粗さとは、基材上に被膜を形成した後これを切断し、ラッピングした後に金属顕微鏡や電子顕微鏡等を用いて観察される被膜表面の凹凸状況をいい、工具全体の巨視的なうねり等は排除される概念である。
また、最大面粗さRmaxとは、上記のような被膜表面の凹凸状況において、基準長さを5μmとした範囲内で観察した場合の最大凹凸差をいい、上記のような巨視的なうねり等は排除されたものである。
本発明の被膜表面の面粗さは、被膜を形成した後に何等処理を施していない状態で上記のような面粗さを有するもののみに限られず、被膜形成後においてブラシ、ブラストまたはバレル等による種々の表面研磨工程を施した後に上記のような面粗さを有することになったものも含まれる。
また、上記において刃先稜線部分近傍とは、実質的に表面被覆切削工具の実作用部(切りくずおよび被削材との接触部)をいい、表面被覆切削工具のすくい面と逃げ面との境界となる刃先稜線から逃げ面およびすくい面方向の垂直方向に向かってそれぞれ1mmの範囲、より好ましくは0.5mmの範囲をいうものとする。
一方、上記被膜は、−6GPa以上0GPa以下の残留圧縮応力を有することが好ましい。表面被覆切削工具の刃先靭性が向上するためである。その残留圧縮応力が−6GPa未満では、被膜自体が自己破壊する場合があり、0GPaを超えると(すなわち、引張残留応力が発生すると)刃先靭性が劣化する場合がある。
したがって、このような残留圧縮応力は、より好ましくはその上限が−5GPa、さらに好ましくは−4GPa、その下限が−0.05GPa、さらに好ましくは−0.1GPaである。
なお、上記残留圧縮応力は、上記被膜が複数の層で形成される場合には、該被膜の最外層の残留圧縮応力をいうものとする。したがって、被膜表面に後述の表面層が形成されている場合には、この表面層の残留圧縮応力をいうものとする。
<中間層および表面層>
本発明の表面被覆切削工具においては、上記基材と上記被膜との間に任意の中間層を形成することができる。このような中間層は、通常耐摩耗性を向上させたり、基材と被膜との密着性を向上させたりする特性を有するものであり、1層または複数層として形成することができる。
本発明の表面被覆切削工具においては、上記基材と上記被膜との間に任意の中間層を形成することができる。このような中間層は、通常耐摩耗性を向上させたり、基材と被膜との密着性を向上させたりする特性を有するものであり、1層または複数層として形成することができる。
このような中間層は、たとえばAl2O3、TiCN、TiAlN等により構成することができ、その形成方法としてはCVD法、PVD法、スパッタ法、真空蒸着法等を挙げることができる。
また、本発明の表面被覆切削工具においては、上記被膜の表面に任意の表面層を形成することができる。このような表面層は、通常耐酸化特性を向上させたり、耐摩耗性を向上させたりする特性を有するものであり、1層または複数層として形成することができる。
このような表面層は、たとえばAl2O3、AlN等により構成することができ、その形成方法としてはCVD法、PVD法、スパッタ法、真空蒸着法等を挙げることができる。
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
<実施例1〜28および比較例1〜4>
まず、平均粒径2.5μmのWC粉末(以下、原料粉Aという)、平均粒径1.3μmの(Ti、W)C粉末(質量比でTiC/WC=30/70、以下原料粉Bという)、平均粒径1.1μmのTaNbC粉末(質量比でTaC/NbC=2/1、以下原料粉Cという)および平均粒径1.3μmのCo粉末(以下、原料粉Dという)を準備した。
まず、平均粒径2.5μmのWC粉末(以下、原料粉Aという)、平均粒径1.3μmの(Ti、W)C粉末(質量比でTiC/WC=30/70、以下原料粉Bという)、平均粒径1.1μmのTaNbC粉末(質量比でTaC/NbC=2/1、以下原料粉Cという)および平均粒径1.3μmのCo粉末(以下、原料粉Dという)を準備した。
続いて、原料粉Bを4.3質量%、原料粉Cを2.0質量%、原料粉Dを9.0質量%および残りを原料粉Aで100質量%となるように配合した後、ボールミルを用いて72時間湿式混合した。
次いで、この混合物を乾燥後、1.0t/cm2の圧力でプレス成型し、この成型体を真空中、1400℃で1時間焼結した。該焼結後、ダイヤモンド砥石による研削加工を行なった後、バレル研磨により切れ刃部(刃先)にR0.05の丸ホーニング処理を施すことにより、ISO・SNGN120408のWC基超硬合金切削チップを作成し、これを基材とした。
なおこの基材は、刃先稜線部分近傍であって被削材と接触する部位の面粗さをさらに平滑なものとするために、特に実施例6と10については刃先稜線部分近傍に対してバフ布による研磨加工を行なった。これにより、刃先稜線部分近傍であって被削材と接触する部位の面粗さが、上記基材の断面から観察する方法で測定される基準長さ5μmに対して、最大面粗さRmaxが0.02μmであることを確認した。
この基材の表面に対して、表1および表2に示した被膜(組成は原子比を示す)をアーク式イオンプレーティング法によって形成することにより、本発明の表面被覆切削工具を製造した。このようにして得られた表面被覆切削工具の被膜は、実施例28を除き全て立方晶(以下の比較例のものも全て立方晶であるが、実施例28のものについてのみ斜方晶とした)の結晶構造を有するものであった。
なお、各被膜(化合物)に含まれるZrは、金属成分として最も多く含有する成分の一部をZrに置き換えることにより、各被膜に含めるようにした。そして、各被膜中のZr量は、SIMS法により測定した。なお、表1および表2中、Zr量の項の「−」という表示は、Zr量がSIMS法の検出限界以下であることを示している。また、各被膜の組成を示す化学式ではZrの組成比はxで示されているが、このxが同表中のZr量(原子%)に相当する。すなわち、たとえばZrが0.9原子%含まれる場合、このxは0.009となる。またこの場合、たとえばAlがAl0.7-xとして表されるとすると、Alは0.7−0.009=0.691(原子%=69.1%)となる。
なお、表1および表2中、被膜が第1層以外に第2層〜第4層を有する場合は、第1層側が基材表面側に形成されるように被覆した。また、表1および表2中、表面面粗度Rmaxとは、表面被覆切削工具の刃先稜線部分近傍であって被削材と接触する部位の面粗さの最大面粗さRmaxを示し、残留圧縮応力とは、被膜(被膜が複数の層で形成されている場合はその最外層)の残留圧縮応力を示す。
なお、比較例1〜4として、表2に示すように被膜にZrを含まない表面被覆切削工具を同様にして製造した。
そして、このようにして製造された各実施例の表面被覆切削工具および各比較例の表面被覆切削工具について、以下の条件により連続切削試験および断続切削試験を行なった。その結果を逃げ面摩耗量として表1および表2に示す。逃げ面摩耗量が少ないもの程、耐摩耗性に優れていることを示している。
<連続切削試験の条件>
被削材:SCM435
切削速度:335m/min
送り:0.28mm/rev.
切込み:2.0mm
切削油:未使用
切削時間:40分
<断続切削試験の条件>
被削材:SCM435
切削速度:315m/min
送り:0.31mm/rev.
切込み:1.5mm
切削油:未使用
切削時間:40分
表1および表2より明らかな通り、実施例1〜28のものは、いずれも比較例1〜4のものに比し優れた耐摩耗性を示し、このように優れた耐摩耗性は被膜がZrを含むことによりもたらされることを示している。
被削材:SCM435
切削速度:335m/min
送り:0.28mm/rev.
切込み:2.0mm
切削油:未使用
切削時間:40分
<断続切削試験の条件>
被削材:SCM435
切削速度:315m/min
送り:0.31mm/rev.
切込み:1.5mm
切削油:未使用
切削時間:40分
表1および表2より明らかな通り、実施例1〜28のものは、いずれも比較例1〜4のものに比し優れた耐摩耗性を示し、このように優れた耐摩耗性は被膜がZrを含むことによりもたらされることを示している。
<実施例29〜35および比較例5〜8>
外径8mmのドリル(JISK10超硬合金)を基材とし、その上に表3に示した被膜を形成することにより、ドリルである本発明の表面被覆切削工具を製造した。また、これと同様にして、表3に示したようにZrを含まない被膜を形成した比較例としての表面被覆切削工具を製造した。
外径8mmのドリル(JISK10超硬合金)を基材とし、その上に表3に示した被膜を形成することにより、ドリルである本発明の表面被覆切削工具を製造した。また、これと同様にして、表3に示したようにZrを含まない被膜を形成した比較例としての表面被覆切削工具を製造した。
そして、このようにして製造された各実施例の表面被覆切削工具および各比較例の表面被覆切削工具を用いて、実際に被削材としてSCM440(HRC30)に対して穴開け加工を行なうことによりその寿命評価を行なった。なお、切削条件としては、切削速度60m/min、送り量0.24mm/rev.、切削油剤は用いず(エアーブローを使用)、深さ26mmの止まり穴加工とした。また、寿命評価の判定は、被削材の寸法精度が規定の範囲をはずれた時点を寿命とした。その寿命評価結果を表3に示す。なお、加工数(穴)が多いもの程、寿命が長いことを示している。
表3より明らかな通り、実施例29〜35のものは、いずれも比較例5〜8のものに比し寿命が長く、耐酸化特性に優れていることを示した。よって、このように優れた耐酸化特性は被膜がZrを含むことによりもたらされることを示している。
<実施例36〜42および比較例9〜12>
外径8mmの6枚刃エンドミル(JISK10超硬合金)を基材とし、その上に表4に示した被膜を形成することにより、エンドミルである本発明の表面被覆切削工具を製造した。また、これと同様にして、表4に示したようにZrを含まない被膜を形成した比較例としての表面被覆切削工具を製造した。
外径8mmの6枚刃エンドミル(JISK10超硬合金)を基材とし、その上に表4に示した被膜を形成することにより、エンドミルである本発明の表面被覆切削工具を製造した。また、これと同様にして、表4に示したようにZrを含まない被膜を形成した比較例としての表面被覆切削工具を製造した。
そして、このようにして製造された各実施例の表面被覆切削工具および各比較例の表面被覆切削工具を用いて、実際に被削材としてSKD11(HRC60)に対してエンドミル側面削り加工を行なうことによりその寿命評価を行なった。なお、切削条件としては、切削速度235m/min、送り0.033mm/刃、切削油剤は用いず(エアーブローを使用)、切り込み量Ad=12mm、Rd=0.2mmの側面切削とした。また、寿命評価の判定は、被削材の寸法精度が規定の範囲をはずれた時点を寿命とした。その寿命評価結果を表4に示す。なお、寸法精度外となるまでの加工長さ(m)が長いもの程、寿命が長いことを示している。
表4より明らかな通り、実施例36〜42のものは、いずれも比較例9〜12のものに比し寿命が長く、耐酸化特性に優れていることを示した。よって、このように優れた耐酸化特性は被膜がZrを含むことによりもたらされることを示している。
<実施例43〜49および比較例13〜16>
まず、超硬合金製ポットおよびボールを用いて、40質量%のTiNと11質量%のAlからなる結合材粉末と49質量%の平均粒径2.3μmの立方晶窒化硼素粉末とを混ぜ合わせ、超硬製容器に充填した。そして、圧力5GPa、温度1400℃で50分間焼結した。このようにして立方晶窒化硼素焼結体を製造し、ISO規格SNGN120408の形状の切削用チップを得、これを基材とした。
まず、超硬合金製ポットおよびボールを用いて、40質量%のTiNと11質量%のAlからなる結合材粉末と49質量%の平均粒径2.3μmの立方晶窒化硼素粉末とを混ぜ合わせ、超硬製容器に充填した。そして、圧力5GPa、温度1400℃で50分間焼結した。このようにして立方晶窒化硼素焼結体を製造し、ISO規格SNGN120408の形状の切削用チップを得、これを基材とした。
この基材表面に対して、表5に示した被膜を形成することにより、切削用チップである本発明の表面被覆切削工具を製造した。また、これと同様にして、表5に示したようにZrを含まない被膜を形成した比較例としての表面被覆切削工具を製造した。
そして、このようにして製造された各実施例の表面被覆切削工具および各比較例の表面被覆切削工具を用いて、実際に被削材としてSCM415の丸棒(HRC62)に対して外周切削を行なった。なお、切削条件としては、切削速度220m/min、送り0.08mm/rev.、切り込み0.1mmで乾式切削とした。なお、初期面粗度Rzは1分間切削後の被削材の面粗さとし、被膜の耐久性は被削材の面粗さRzが3.2μmとなるのに要する切削時間により評価した。ここで、RzはJIS B0601に定められた10点平均粗さを示す。その結果を表5に示す。なお、面粗さRzが3.2μmとなるのに要する切削時間が長いもの程、耐久性に優れていることを示している。
表5より明らかな通り、実施例43〜49のものは、いずれも比較例13〜16のものに比し耐久性に優れ、耐酸化特性に優れていることを示した。よって、このように優れた耐酸化特性は被膜がZrを含むことによりもたらされることを示している。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
Claims (12)
- 基材と、該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
前記被膜は、AlまたはCrのいずれか一方または両方の元素と、Zrと、炭素、窒素、酸素およびホウ素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素とにより構成される化合物を含むことを特徴とする表面被覆切削工具。 - 基材と、該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
前記被膜は、AlまたはCrのいずれか一方または両方の元素と、元素周期律表のIVa族元素、Va族元素、VIa族元素およびSiからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素と、Zrと、炭素、窒素、酸素およびホウ素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素とにより構成される化合物を含むことを特徴とする表面被覆切削工具。 - 基材と、該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
前記被膜は、2以上の被覆層により構成されており、
前記被覆層のうちの第1の層は、AlまたはCrのいずれか一方または両方の元素と、Zrと、炭素、窒素、酸素およびホウ素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素とにより構成される化合物を含み、
前記被覆層のうちの第2の層は、元素周期律表のIVa族元素、Va族元素、VIa族元素、AlおよびSiからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素と、炭素、窒素、酸素およびホウ素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素とにより構成される化合物を含むことを特徴とする表面被覆切削工具。 - 前記被膜は、前記第1の層および前記第2の層以外の第3の層を含むことを特徴とする請求項3記載の表面被覆切削工具。
- 前記被膜は、0.05μm以上20μm以下の厚みを有することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
- 前記化合物中における前記Zrの濃度は、金属成分に対して0.001原子%以上20原子%以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
- 前記被膜は、立方晶の結晶構造を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
- 前記被膜表面において、前記表面被覆切削工具の刃先稜線部分近傍であって被削材と接触する部位の面粗さが、前記表面被覆切削工具の断面から観察する方法で測定される基準長さ5μmに対して、最大面粗さRmaxが1.5μm以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
- 前記被膜は、−6GPa以上0GPa以下の残留圧縮応力を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
- 前記被膜は、アーク式イオンプレーティング法またはマグネトロンスパッタリング法により形成されることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
- 前記基材は、超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化硅素焼結体、または酸化アルミニウムと炭化チタンとからなる混合体のいずれかであることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
- 前記表面被覆切削工具は、ドリル、エンドミル、ドリル用刃先交換型チップ、エンドミル用刃先交換型チップ、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削加工用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマまたはタップのいずれかであることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
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