JP2006281363A - 表面被覆部材および表面被覆切削工具 - Google Patents
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Abstract
【課題】 高い耐酸化性を維持し、TiAlN皮膜の内部応力を制御して高い耐欠損性を維持しつつ、耐摩耗性を向上させたTiAlN硬質皮膜を基材表面に被着形成した表面被覆部材および表面被覆切削工具を提供することである。
【解決手段】 基材の表面に、X線回折パターンにおいて(200)面に帰属されるピークのピーク強度I(200)と、(111)面に帰属されるピークのピーク強度I(111)との比がI(200)/I(111)<2.0であり、かつ、前記(111)面に帰属されるピークの半値幅B(111)が0.4°〜0.6°であるTiAlN硬質皮膜を被着形成する。
【選択図】 なし
【解決手段】 基材の表面に、X線回折パターンにおいて(200)面に帰属されるピークのピーク強度I(200)と、(111)面に帰属されるピークのピーク強度I(111)との比がI(200)/I(111)<2.0であり、かつ、前記(111)面に帰属されるピークの半値幅B(111)が0.4°〜0.6°であるTiAlN硬質皮膜を被着形成する。
【選択図】 なし
Description
本発明は、表面被覆部材および表面被覆切削工具に関する。
従来から、炭化タングステン基超硬合金や、炭窒化チタン基サーメットなどの硬質合金からなる基材表面に、炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタンなどのチタン系化合物からなり、耐摩耗性、機械的強度に優れる硬質皮膜を被着形成してなる表面被覆切削工具が広く用いられている。
中でも、TiAlNからなる硬質皮膜は、硬度が高く、かつ高温に晒された場合での耐酸化性に優れており、被覆膜として好適に使用されている。かかるTiAlN皮膜の性能向上のために、種々の提案がなされている。
たとえば、Al濃度の異なる3層以上のTiAlN皮膜からなる積層構造からなり、Al濃度が高い皮膜の間にAl濃度が低い皮膜を挟持してなるTiAlN硬質皮膜が提案されている(特許文献1参照)。同様に、低硬度のTiAlN皮膜と高硬度のTiAlN皮膜とを交互に隣接して積層した多層TiAlN硬質皮膜が提案され、基材との付着力および耐摩耗性に優れることが開示されている(特許文献2参照)。これら技術は、靭性が高くかつ耐酸化性の低い皮膜を、靭性が低くかつ耐酸化性の高い皮膜で挟むことによって、歪みおよび残留圧縮内部応力を分散させて緩和し、Alの添加による耐欠損性の低下を防止しようとするものである。しかしながら、Al濃度が低い皮膜はAl濃度が高い皮膜に比較し耐酸化性に劣るため、切削加工中に上層が摩耗して露出すると急激に酸化されて劣化し摩耗してしまうため、硬質皮膜全体としての耐摩耗性は不十分である。
また、TiとAlの総原子数に対するTi原子数の割合が75〜98%であり、X線回折における(111)面の強度I(111)と(200)面の強度I(200)との比、すなわちI(200)/I(111)が1以下である皮膜と、TiとAlの総原子数に対するTi原子数の割合が20〜65%であり、X線回折における前記ピーク強度比I(200)/I(111)が1以上である皮膜とを交互に繰返し積層されたTiAlN硬質皮膜が提案され、基材との付着力および耐摩耗性に優れることが開示されている(特許文献3参照)。この技術では、Al原子濃度および結晶配向度が異なる2種類の層を交互に積層することにより、エピタキシャル成長を抑制して層境界に格子欠陥を導入し、硬質皮膜全体の残留圧縮内部応力を低下させようとするものである。また、欠陥の存在により、硬質皮膜表面で発生したクラックが硬質皮膜内部へ拡がるのを抑制し、結果として靭性を向上させようとするものである。しかしながら、かかる硬質皮膜においても、Al濃度の低い皮膜における耐酸化性が低く、皮膜全体としての耐摩耗性に劣るものであった。
さらに、(200)面に最大ピーク強度を有する第1皮膜と、(111)面に最大ピーク強度を有する第2皮膜とからなる硬質皮膜を基材表面に被着形成してなる表面被覆切削工具が提案されている(特許文献4)。この文献では、イオンプレーティング法によって硬質膜を成膜する際、成膜時の雰囲気を20×10−3トールの真空中に窒素ガスを340sccm流しながら、基材に印加するバイアス電圧を段階的または連続的に変化させることにより形成できることが開示されている。しかしながら、この技術では、反応系に窒素ガスのみを流すので、硬質皮膜を構成する粒子の粒径、硬質皮膜中の残留応力、内部欠陥状態などが最適化されない。その結果、得られる硬質皮膜の耐摩耗性、基材との付着力などが低下する。
このように、従来技術は、複数のTiAlN皮膜を積層してなる多層構造のTiAlN硬質皮膜を形成するにあたり、各皮膜におけるTiとAlとの組成比率または結晶面配向性を変化させることを開示するのみであり、さらなる性能向上のための方策が求められていた。さらに、TiとAlとの組成比率を変化させるためには、反応系内に組成が異なる数種のターゲットを設置する必要があり、設備、条件設定などにおいて大幅な制限が課されるおそれがあり、工業的な規模での実施は困難である。
本発明の目的は、高い耐酸化性を維持し、TiAlN皮膜の内部応力を制御して高い耐欠損性を維持しつつ、耐摩耗性を向上させたTiAlN硬質皮膜を基材表面に被着形成した表面被覆部材および表面被覆切削工具を提供することである。
本発明者は上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、TiAlN膜の結晶面配向性、結晶化度、粒径および皮膜中の内部応力を総合的に考慮し、それらが適正な状態で組み合わされたTiAlN硬質皮膜を基材表面に被着形成することによって、耐酸化性、耐欠損性および耐摩耗性に優れた表面被覆部材および表面被覆切削工具が得られることを見出し、本発明を完成した。
本発明においては、TiAlN硬質皮膜におけるTiとAlとの組成比率を変化させることなく、結晶面配向性と膜内粒子の結晶化度を制御したものであり、これによって、TiAlN硬質皮膜の高い耐酸化性を維持し、内部応力を適正化して耐摩耗性、耐欠損性がともに高いTiAlN皮膜となるものである。
たとえば、硬質皮膜の耐摩耗性を向上させるために、耐摩耗性の尺度の1つである硬度だけを上昇させても硬質皮膜の基材への付着力が低下するため、硬質皮膜の厚膜化を実現できない。高硬度の硬質皮膜は、たとえば、物理気相成長法(PVD)による成膜において、基材に高バイアス電圧を印加して膜内粒子を微細化することにより得られるが、その一方で膜内における残留圧縮内部応力も上昇する。そのため、硬質皮膜は脆化が促進され、基材との付着力が低下して微小剥離を生じ易くなり、厚膜化が困難になる。逆に、基材に印加するバイアス電圧を低くすると、残留圧縮内部応力は低くなるので、厚膜化が可能であるが、硬度ひいては耐摩耗性が不充分になる。
また、TiAlN硬質皮膜は(111)配向性を高めると耐摩耗性が向上するものの、残留圧縮内部応力が高くなって基材との付着力が低下し、微小剥離を生じ易くなる。このように、従来技術では、1つの特性を高めると、別の特性が低下するというのが常であった。
これに対し、本発明者は、従来から注目される結晶面配向性だけではなく、膜内粒子の粒径、膜内の応力、ひずみ、欠陥などを総合的に表す尺度である結晶化度にも注目し、結晶化度とX線回折ピークにおける半値幅とを膜内粒子の粒径を共通項目として関連付け、TiAlN硬質皮膜が特定の結晶面配向性とともに、特定範囲の半値幅を持つ場合には、切削工具の表面被覆用硬質皮膜に要求される諸性能を高水準で併せ持ち得ることを見出した。
ところで、膜内粒子の粒径の測定には、通常、材料表面を薬品などでエッチング処理を行い、走査型電子顕微鏡(SEM)、透過型電子顕微鏡(TEM)などで直接観察するのが一般的であるが、実際に硬質皮膜を形成する膜内粒子は極微細であり、TEM観察を行っても直接測定は極めて困難であり、また誤測定を招く可能性が高い。膜内粒子の粒径の測定方法にはこれ以外にも種々知られているが、その中から特にX線回折におけるピークの半価幅から粒径を間接的に測定する方法を選定し、膜内粒子の粒径を直接規定するのではなく、X線回折におけるTiAlNの最大ピークである(111)ピークの半値幅B(111)として規定する。また、半値幅B(111)は単純に粒径だけでなく、膜中のひずみ、欠陥状態にも影響され、膜中の総合的な情報が反映されているので、膜質の違いを総合的に評価できる。なお、金属の強度(硬度)は結晶粒径の逆数の2乗に比例することが知られている。したがって、本発明のような硬質皮膜においても、構成する結晶粒を微細化することにより高特性が得られるものと推測され、高性能膜を提供するには粒径の制御が大きな要素になると考えられる。
すなわち、本発明の表面被覆部材は、基材の表面にTiAlN皮膜を被着形成してなり、該TiAlN皮膜全体についてのX線回折パターンにおいて(200)面に帰属されるピークのピーク強度I(200)と、(111)面に帰属されるピークのピーク強度I(111)との比がI(200)/I(111)<2.0であり、かつ、前記(111)面に帰属されるピークの半値幅B(111)が0.4°〜0.6°であることを特徴とする。
また、本発明における前記TiAlN皮膜は、2層以上の多層構造からなり、該多層構造における隣り合う2層は(111)面に帰属されるピークの半値幅B(111)が互いに異なるのがよい。これにより、層内粒子の粒径が相対的に小さくかつ硬度が相対的に高い層の残留圧縮内部応力が、層内粒子の粒径が相対的に大きく、硬度が相対的に低くかつ残留圧縮応力が相対的に小さい層によって緩和され、高硬度で、耐摩耗性および基材に対する付着力が一層向上したTiAlN硬質皮膜が得られる。ここで言う、隣り合う2つの層は、粒子径、残留圧縮内部応力、欠陥の生成状態などが異なる層であり、これらを積層することによって、2つの層間での残留圧縮内部応力の緩和が起こり、所望の特性を有するTiAlN硬質皮膜が得られる。
さらに、本発明における前記TiAlN皮膜は、基材の表面に被着形成され、前記ピーク強度I(200)と前記ピーク強度I(111)との比がI(200)/I(111)<1.0であり、かつ、前記半値幅B(111)が0.55°以上であるとともに、膜厚が1μm以下の第1層と、該第1層に積層され、(111)面に帰属されるピークの半値幅B(111)が0.3°〜0.6°である1または2以上の層からなる第2層と、を含む多層構造であるのがよい。これにより、高硬度で、耐摩耗性および基材に対する付着力がより一層向上したTiAlN硬質皮膜が得られる。
基材の表面に被着形成される第1層は、基材に対する付着力および膜全体における(111)配向度を増加させるために、基材に印加するバイアス電圧を200V以上にして成膜するのが望ましい。この場合、残留圧縮内部応力が高くなり、厚膜化による付着力の低下を起こさないために、第1層の膜厚は1μm以下で、(111)ピークの半価幅B(111)が0.55°以上であることが望ましい。
また、第2層は(111)ピークの半価幅が0.3°〜0.6°であることを満たす層とすることによって、第1層よりも残留圧縮内部応力が小さく、膜内粒子の粒径が大きい層になる。このような第2層を少なくとも1層以上積層することによって、高い硬度および付着力を併せ持つTiAlN硬質皮膜が得られる。
また、前述の第1層と第2層とを含むTiAlN硬質皮膜において、第1層におけるI(200)とI(111)との比を、I(200)/I(111)<1.0とすることによって、TiAlN硬質皮膜が全体的に(111)面に優先的に配向され易くなることになり、その結果TiAlN硬質皮膜全体としての膜表面の硬度が上昇して高い耐摩耗性が発現するとともに、基材と第1層との付着力も向上する。これは(111)面は原子が最も緻密に重鎮された面であり、原子間距離が小さく弾性率が増加するためであると推定される。また、より強く優先配向成長することでランダム配向成長する場合よりも膜内部における欠陥の導入が抑制されるため、硬度増加、付着力強化を期待できる。よって、切削工具などのように耐摩耗性が要求される用途へ応用する場合には、第1層のI(200)/I(111)<1.0にするのが望ましい。
さらに、本発明では、前記第2層が30層以上の多層からなることによって、耐摩耗性がより一層向上したTiAlN硬質皮膜が得られる。
また、本発明の表面被覆部材は、切削工具を構成する材料として好適である。すなわち、表面被覆切削工具は、すくい面および逃げ面を有し、前記すくい面と前記逃げ面との交差稜線部に切刃が形成され、該切刃を被切削物に当てて切削加工するための切削工具であって、前記切刃が上記表面被覆部材からなるものである。
本発明によれば、基材の表面にTiAlN硬質皮膜が形成される表面被覆部材において、該TiAlN皮膜全体についてのX線回折パターンにて(200)面に帰属されるピークのピーク強度I(200)と、(111)面に帰属されるピークのピーク強度I(111)との比が、I(200)/I(111)<2.0であり、かつ前記(111)面に帰属されるピークの半値幅B(111)が0.4°〜0.6°であることによって、高い耐酸化性と、皮膜中の内部応力の適正化を図りつつ耐摩耗性が高いTiAlN硬質皮膜が得られるので、高寿命の表面被覆部材および表面被覆切削工具が提供される。
本発明の表面被覆部材は、基材表面に特定のTiAlN硬質皮膜を被着形成してなることを特徴とする。ここで、基材として切削工具形状の基材を用いる場合には、本発明の表面被覆切削工具となる。以下、本発明の表面被覆部材について、表面被覆切削工具を例に挙げて詳細に説明する。
本発明の表面被覆切削工具に使用されるTiAlN硬質皮膜は、X線回折パターンにて(200)面に帰属されるピークのピーク強度I(200)と、(111)面に帰属されるピークのピーク強度I(111)との比が、I(200)/I(111)<2.0であり、かつ、(111)面に帰属されるピークの半値幅B(111)が0.4°〜0.6°である。
ここで、I(200)/I(111)が2.0以上であると、I(200)面の配向性が強くなり、膜内の残留圧縮内部応力が低くなってチッピングや欠損は起こり難くなるものの、硬度ひいては耐摩耗性が低下し、本発明の表面被覆切削工具の耐用寿命が短縮化されるおそれがある。また、(111)面に帰属されるピークの半値幅B(111)が0.4°未満では、硬度が低下するおそれがある。一方、B(111)が0.6°を超えると、内部応力が高くなりすぎ微小剥離などの欠損を生じるか、結晶化度が低くて膜自体の硬度が低下するおそれがある。
TiAlN硬質皮膜は、2層以上の多層構造からなることが好ましい。その場合、隣り合う2層同士は、X線回折パターンにて(111)面に帰属されるピークの半値幅B(111)が異なるように形成されるのが好ましい。これによって、隣り合う2層は残留圧縮内部応力が異なる層となり、一方の残留圧縮内部圧力が相対的に高い層の残留圧縮内部応力が、もう一方の層によって緩和され、TiAlN硬質皮膜全体としての内部応力を制御できる。隣り合う2層同士の(111)面に帰属される半値幅B(111)が同じ場合には、残留圧縮内部応力の緩和が行われないので、耐欠損性が低下する。
2層以上の多層構造からなるTiAlN硬質皮膜の具体例としては、たとえば、基材表面に被着形成される第1層と、第1層に積層される第2層とを含み、第1層が、(111)面に帰属されるピーク中に最強ピークを有し、(111)面に帰属されかつ半値幅B(111)が0.55°以上、好ましくは0.55°〜0.70°、特に好ましくは0.60°〜0.65°であるピークを有し、第2層が(111)面に帰属されかつ半値幅B(111)が0.3°〜0.6°であるピークを有する層を1または2以上、好ましくは30以上含み、隣り合う層同士の(111)面に帰属されるピークの半値幅B(111)が異なるTiAlN硬質皮膜が挙げられる。このようなTiAlN硬質皮膜は、耐摩耗性および基材に対する付着力が顕著に高い。ここで、第1層における(111)面に帰属されるピークの半値幅B(111)が0.55°以上であれば、第1層における残留圧縮内部応力を調整する効果が高くて、特に第1層と基材との付着力が高く、微小剥離などの発生を抑制できる。また、第2層における(111)面に帰属されるピークの半値幅B(111)が0.3°〜0.6°では、内部応力が高くなりすぎず耐欠損性が高く、かつ硬度も高い。さらに第2層において、(111)面に帰属されかつ半値幅B(111)が0.3°〜0.6°であるピークを有する層が30以上含まれる場合には、残留圧縮内部応力の緩和が一層進むとともに、耐摩耗性のさらなる向上が認められる。なお、第2層が多層からなる場合、多層の隣接する皮膜の(111)面ピークの半値幅B(111)が異なることが内部応力の緩和の点で望ましい。
なお、第1層において、(200)面に帰属されるピークのピーク強度(200)と、(111)面に帰属されるピークのピーク強度I(111)との比、I(200)/I(111)を1.0未満にするのが好ましい。これによって、(111)面の配向度が高まり、第1層の硬度および基材に対する付着力を増加させ、TiAlN硬質皮膜全体としての耐摩耗性を向上させることができる。
TiAlN硬質皮膜の総膜厚は、たとえば、該硬質皮膜のTi、AlおよびNの含有比率、該硬質皮膜の結晶面配向性(I(200)/I(100))および結晶化度(半値幅)、該硬質皮膜を被着形成する基材の組成および形状、該硬質皮膜を基材に被着形成して得られる表面被覆切削工具の用途などの各種条件に応じて適宜選択できるが、好ましくは平均膜厚として0.5〜10μm、さらに好ましくは1〜5μmである。
TiAlN硬質皮膜を被着形成する基材は、公知の方法に従い、たとえば、原料混合物を所望の形状に成形して焼成することによって製造できる。
基材の原料には、焼成によって、超硬合金やサーメット等の硬質合金、アルミナや窒化ケイ素、多結晶ダイヤモンド、立方晶窒化硼素等のセラミックスが形成し得る金属炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物などの無機物粉末に、金属粉末、カーボン粉末などを適宜添加したものが好ましい。原料混合物にはさらに必要に応じてバインダが適量添加され、混合される。原料混合物の成形には、プレス成形、鋳込成形、押出成形、冷間静水圧プレス成形などの、無機粉末の一般的な成形方法をいずれも利用できる。原料混合物は、所望の工具形状に成形される。この成形物を真空中または非酸化性雰囲気中にて焼成することによって、基材が得られる。焼成温度は基材に含まれる材料に応じて適宜選択される。基材の中でも、炭化タングステン基硬質合金、サーメット硬質合金、多結晶ダイヤモンド質焼結体、立方晶窒化ホウ素質焼結体などの硬質合金を含むものが好ましい。得られる基材の表面には、必要に応じて、研磨加工、切刃部のホーニング加工などが施される。さらに必要に応じて、基材の切れ刃およびすくい面の表面に凹部を付与するために、ブラスト、ラッピング、バフ、ポリッシュ、バレル、研削などの機械的加工、酸およびアルカリによるエッチングなどの化学的加工、機械的加工および化学的加工を組合せた加工などが施される。その際、すくい面における算術平均粗さ(Ra)が0.1〜1.5μm、逃げ面における算術平均粗さ(Ra)が0.5〜3.0μmとなるように加工を制御するのが好ましい。
基材の表面にTiAlN硬質皮膜を被着形成するに際しては、イオンプレーティング法、スパッタリング法などの物理気相成長(PVD)法、気相成長(CVD)法、プラズマCVD法などの一般的な薄膜形成法を利用できる。これらの中でも、物理蒸着気相法が好ましい。
物理気相成長(PVD)法によれば、たとえば、チタンアルミニウム(TiAl)合金をターゲットに用い、アーク放電、グロー放電などの放電によりターゲットであるチタンアルミニウム合金を蒸発させてイオン化するのと同時に、窒素源の窒素ガス、および不活性ガスであるアルゴンガスやキセノンガスの混合ガスを反応系に供給し、TiイオンおよびAlイオンと反応させることにより、TiAlN硬質皮膜が成膜される。
成膜中に、反応系に供給するガスの種類、具体的には窒素ガスと、ヘリウムガス、アルゴンガス、クリプトンガス、キセノンガス等の不活性ガスとの混合ガス、およびガス圧を適宜変更することにより、X線回折ピークの状態を上記に規定の範囲内に制御することが可能である。さらに、基材に印加するバイアス電圧を適宜変更することによっても、X線回折ピークの状態を上記に規定の範囲内に制御できる。基材表面に形成される皮膜(種皮膜)の緻密度、基材に対する付着力などを高めるためには、たとえば、30〜300Vのバイアス電圧を印加しながら成膜することが望ましい。
(111)面に帰属されるピークの半値幅B(111)を変化させるには、たとえば、バイアス電圧、アーク電流、ガス種、ガス圧などを変化させれば良い。ピークの半値幅が0.3°〜0.6°である層を得るには、たとえば、ガス種として窒素ガスもしくは窒素ガスとアルゴンガスの混合ガスを選択し、ガス圧を2〜8Paとし、基材に印加するバイアス電圧を15〜300Vとすればよい。
(111)面に帰属されるピークが最強ピークであり、かつ(111)面に帰属されるピークの半値幅B(111)が0.55°以上であるTiAlN層を得るには、たとえば、ガス種として窒素ガスもしくは窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガスを選択し、ガス圧を2〜8Paとし、基材に印加するバイアス電圧を150〜300Vとすればよい。さらにこの比を小さくするには、たとえば、バイアス電圧をさらに大きくすればよい。
なお、物理蒸着気相法(PVD)によるTiAlN硬質皮膜の成膜条件では、その皮膜の(111)配向性を高めるためには基材に高バイアス電圧を付与する必要がある。しかし、そのような高バイアス電圧により成膜を行った場合、皮膜内部の圧縮残留内部応力が過度に上昇し、やはり単層による厚膜化は不可能である。また、単層皮膜を工具などの基材上に成膜しようとした場合、第1層の膜厚を1μm以下に薄膜化する必要があり、長寿命化には限界がある。
高硬度、高耐摩耗性および高付着力を併せもつTiAlN硬質皮膜を得るためには、高バイアス電圧を付与することにより、I(200)/I(111)<1.0を満たす層を基材表面直上に成膜させ、その(111)配向性が高まるように成長方向を制御しながら積層していく。最終的に膜全体で少なくともI(200)/I(111)<2.0が達成できるようにすることにより高硬度、高耐摩耗性および高付着力を併せもつ硬質皮膜が得られる。
このようにI(200)/I(111)<1.0、少なくともI(200)/I(111)<2.0を維持させることにより、低硬度層における耐摩耗性の低下を抑制することができ、皮膜全体として優れた耐摩耗性を達成できる。
以上のように、X線回折パターンにおける(111)ピークの半価幅B(111)およびI(200)/I(111)値をパラメータとすることにより、粒度規定による硬度および付着力を理想の状態に選定することができる。高バイアス層および低バイアス層の両者を積層させることにより、両者の優位点を引き出して、高硬度および高付着力を有する硬質膜を得ることが出来ると考えられる。
このようにして得られる本発明の表面被覆切削工具は、たとえば、旋削加工具、転削加工具、穴あけ加工具などが挙げられる。旋削加工具としては、たとえば、外丸削りバイト、突っ切り/溝削りバイト、面削りバイトなどの外径旋削バイト、内径旋削バイト、外径ホルダ、内径ホルダ、スモールツールホルダ、溝入れホルダなどのホルダなどとして使用できる。転削加工具としては、たとえば、平フライス、正面フライス、側フライス、溝切りフライスなどフライス、1枚刃エンドミル、複数刃エンドミル、テーパ刃エンドミル、ボールエンドミルなどのエンドミルなどが挙げられる。穴あけ加工具としては、たとえば、ツイストドリル、スローアウェイ式ドリル、コアドリル、センタ穴ドリルなどのドリル、深穴工具などが挙げられる。それ以外にも、スリッターなどの切断刃、裁断刃、ダイスなどの型工具、ノズルなどの耐摩耗工具にも使用できる。もちろん、スローアウェイ工具としても使用できる。
以下に実施例および比較例を挙げ、本発明を具体的に説明する。
(実施例1〜5および比較例1〜4)
アークイオンプレーティング装置を用い、該装置の内部の所定位置にターゲットであるチタンアルミニウム(TiAl)合金および超硬合金製切削工具(基材)を設置し、成膜温度550℃、アーク電流150Aならびに表1に示すガス種、バイアス電圧、成膜時間およびガス圧で成膜を行い、下層、A層およびB層からなるTiAlN硬質皮膜を被着形成した本発明および比較例の表面被覆切削工具を製造した。ただし、A層およびB層は繰返し層であり、表1に示す回数(A層/B層、層数)だけ繰返し形成した。また、比較例1の硬質皮膜は下地層およびA層のみからなり、比較例2の硬質皮膜は下地層のみからなる。
(実施例1〜5および比較例1〜4)
アークイオンプレーティング装置を用い、該装置の内部の所定位置にターゲットであるチタンアルミニウム(TiAl)合金および超硬合金製切削工具(基材)を設置し、成膜温度550℃、アーク電流150Aならびに表1に示すガス種、バイアス電圧、成膜時間およびガス圧で成膜を行い、下層、A層およびB層からなるTiAlN硬質皮膜を被着形成した本発明および比較例の表面被覆切削工具を製造した。ただし、A層およびB層は繰返し層であり、表1に示す回数(A層/B層、層数)だけ繰返し形成した。また、比較例1の硬質皮膜は下地層およびA層のみからなり、比較例2の硬質皮膜は下地層のみからなる。
実施例1〜5および比較例1〜4で得られた表面被覆切削工具について、次の性能試験に供した。試験結果を表1に併記する。
[硬度]
マイクロビッカーズ硬度計にて、荷重25g、保持時間15秒で測定した。
マイクロビッカーズ硬度計にて、荷重25g、保持時間15秒で測定した。
[基材に対する付着力]
スクラッチ試験にて測定した。スクラッチ試験は、ダイヤモンド圧子を硬質皮膜表面に付与し、その後、付与荷重を徐々に増加させながら硬質皮膜上を一方向にスクラッチすることにより実施した。付与荷重がある値に達したところで硬質皮膜が剥離するので、その値を基材と硬質皮膜との付着力とした。剥離が生じたことの有無は、ダイヤモンド圧子に取り付けられたアコースティックエミッションの急激な変化が生じる点として判断した。
スクラッチ試験にて測定した。スクラッチ試験は、ダイヤモンド圧子を硬質皮膜表面に付与し、その後、付与荷重を徐々に増加させながら硬質皮膜上を一方向にスクラッチすることにより実施した。付与荷重がある値に達したところで硬質皮膜が剥離するので、その値を基材と硬質皮膜との付着力とした。剥離が生じたことの有無は、ダイヤモンド圧子に取り付けられたアコースティックエミッションの急激な変化が生じる点として判断した。
[切削性能(耐欠損性および耐摩耗性)]
実施例1〜5および比較例1〜4で得られた表面被覆切削工具を下記の切削条件にて30分間切削した後に、工具の刃先を走査型電子顕微鏡にて倍率200〜500で観察して耐微小剥離性を判断した。また、逃げ面および刃先の摩耗量を測定した。
実施例1〜5および比較例1〜4で得られた表面被覆切削工具を下記の切削条件にて30分間切削した後に、工具の刃先を走査型電子顕微鏡にて倍率200〜500で観察して耐微小剥離性を判断した。また、逃げ面および刃先の摩耗量を測定した。
<切削条件>
切削方法:旋削
被削材:SCM435
切削速度:200m/分
送り:0.25mm
切り込み:2mm
その他:乾式切削
切削方法:旋削
被削材:SCM435
切削速度:200m/分
送り:0.25mm
切り込み:2mm
その他:乾式切削
[TiAlN皮膜の特性]
X線回折分析を行い、特定の各ピークのピーク強度および(111)面に帰属されるピークのピーク強度を測定した。ここで、各層のXRD分析は表面層から電解研磨にて硬質皮膜を除去しつつX線回折測定を行った。なお、XRD測定装置(商品名:RINT1100、理学電気社製)にて測定した。
X線回折分析を行い、特定の各ピークのピーク強度および(111)面に帰属されるピークのピーク強度を測定した。ここで、各層のXRD分析は表面層から電解研磨にて硬質皮膜を除去しつつX線回折測定を行った。なお、XRD測定装置(商品名:RINT1100、理学電気社製)にて測定した。
表1から、実施例1〜5の本発明品は、硬度、基材に対する付着力、耐摩耗性および耐欠損性のいずれをも高いことが明らかである。
一方、比較例1は、残留圧縮内部応力は緩和されているが、結晶配向が(200)面となっているため耐摩耗性が低い。比較的厚膜である30V層(A層)の(200)配向度が強すぎるために、下地300V層からのエピタキシャル成長が抑制され(111)配向を維持できなくなっている。
比較例2は、残留圧縮内部応力が高すぎるために刃先チッピングを生じる。
比較例3は、(200)配向となるために充分な性能が得られない。高バイアス層(A層)を積層してもあまり効果は得られない。
比較例4は、(200)配向となるために充分な性能が得られない。
比較例3は、(200)配向となるために充分な性能が得られない。高バイアス層(A層)を積層してもあまり効果は得られない。
比較例4は、(200)配向となるために充分な性能が得られない。
Claims (5)
- 基材の表面にTiAlN皮膜を被着形成してなり、
該TiAlN皮膜全体についてのX線回折パターンにおいて(200)面に帰属されるピークのピーク強度I(200)と、(111)面に帰属されるピークのピーク強度I(111)との比がI(200)/I(111)<2.0であり、かつ、前記(111)面に帰属されるピークの半値幅B(111)が0.4°〜0.6°であることを特徴とする表面被覆部材。 - 前記TiAlN皮膜は2層以上の多層構造からなり、該多層構造における隣り合う2層は(111)面に帰属されるピークの半値幅B(111)が互いに異なることを特徴とする請求項1記載の表面被覆部材。
- 前記TiAlN皮膜は、
基材の表面に被着形成され、前記ピーク強度I(200)と前記ピーク強度I(111)との比がI(200)/I(111)<1.0であり、かつ、前記半値幅B(111)が0.55°以上であるとともに、膜厚が1μm以下の第1層と、
該第1層に積層され、(111)面に帰属されるピークの半値幅B(111)が0.3°〜0.6°である1または2以上の層からなる第2層と、
を含む多層構造であることを特徴とする請求項2記載の表面被覆部材。 - 前記第2層が30層以上の多層からなることを特徴とする請求項3記載の表面被覆部材。
- すくい面および逃げ面を有し、前記すくい面と前記逃げ面との交差稜線部に切刃が形成され、該切刃を被切削物に当てて切削加工するための切削工具であって、前記切刃が請求項1〜4のいずれかに記載の表面被覆部材からなる表面被覆切削工具。
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- 2005-03-31 JP JP2005104026A patent/JP2006281363A/ja active Pending
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