JP2007268656A

JP2007268656A - 切削工具およびその製造方法

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Publication number: JP2007268656A
Application number: JP2006097318A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Ishii; 和宏石井; Osamu Kanda; 修神田; Takashi Fujii; 貴志藤井
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: JP5053561B2

Abstract

【課題】切削寿命が長い切削工具およびその製造方法の提供
【解決手段】超硬材料で構成される金属焼結体表面に軟質粒子噴射による表面洗浄および表面形状加工処理を施した後、ドライコーテイング手法により硬質保護膜層を形成させる。硬質保護膜層は、金属炭化物、金属窒化物、金属酸化物またはこれらの複合化合物を主体とする被覆層であるのがよい。この切削工具は、例えば、ネジ切削用チェザーとして用いることができる。
【選択図】なし

Description

この発明は、切削工具に係り、特に、高硬度鋼材の高速切削に適した切削工具に関する。

高硬度鋼材の高速切削においては、切削工具の刃面と被削体との界面温度が1000℃近くまで上昇し、被削体成分が切削工具に焼き付き、凝着が発生する場合がある。被削体成分の切削工具への凝着が発生すると、切削工具の刃面が損傷し、切削機能が著しく低下する。

このような厳しい熱履歴を受ける切削工具としては、従来、炭化タングステン等の超硬合金、炭窒化チタンなどのサーメットを基材とし、その表面をコーティングしたものが用いられてきた。

たとえば、特許文献１には「炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成された工具基体の表面に、（ａ）いずれも蒸着形成されたＴｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層、および炭窒酸化物層のうちの１層または２層以上の積層からなるＴｉ化合物層で構成され、かつ３〜２０μｍの平均層厚を有する下部層、（ｂ）蒸着形成した状態でκ型またはθ型の結晶構造を有する酸化アルミニウムに加熱変態処理を施して結晶構造をα型結晶構造とし、加熱変態生成クラックが分散分布した組織を有する加熱変態α型酸化アルミニウム層で構成され、かつ３〜１５μｍの平均層厚を有する上部層、（ｃ）蒸着形成した状態でκ型の結晶構造を有する蒸着κ型酸化アルミニウム層で構成され、かつ０．５〜２μｍの平均層厚を有する表面層、以上（ａ）〜（ｃ）で構成された硬質被覆層を形成してなる、硬質被覆層がすぐれた耐熱衝撃性を有する表面被覆サーメット製切削工具」が提案されている。

また、特許文献２には「炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成された工具基体の表面に、（ａ）蒸着形成されたＴｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層、および炭窒酸化物層のうちの１層または２層以上の積層で構成され、かつ３〜２０μｍの平均層厚を有するＴｉ化合物層からなる下部層、（ｂ）蒸着形成された状態でκ型結晶構造を有する酸化アルミニウムに加熱変態処理を施してα型結晶構造とし、前記加熱変態処理で発生した変態クラックが分散分布した組織を有し、かつ３〜１５μｍの平均層厚を有する加熱変態α型酸化アルミニウム層の下側層と、０．５〜２μｍの平均層厚を有する蒸着形成されたα型結晶構造の蒸着α型酸化アルミニウム層の上側層で構成された複合２重α型酸化アルミニウム層からなる上部層、以上（ａ）の下部層と（ｂ）の上部層で構成された硬質被覆層を形成したことを特徴とする硬質被覆層がすぐれた耐熱衝撃性を有する表面被覆サーメット製切削工具」が提案されている。

特許文献３には「炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成された工具基体の表面に、（ａ）いずれも化学蒸着形成されたＴｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層、および炭窒酸化物層のうちの１層または２層以上からなり、かつ３〜２０μｍの合計平均層厚を有するＴｉ化合物層で構成された下部層、（ｂ）化学蒸着形成した状態でκ型の結晶構造を有する酸化アルミニウムに加熱処理を施してα型結晶構造に変態してなると共に、前記加熱処理で発生した変態クラックが分散分布した組織および１〜１５μｍの平均層厚を有する加熱変態α型酸化アルミニウム層の下側層と、化学蒸着形成した状態でα型の結晶構造を有し、かつ０．１〜２μｍの平均層厚を有する蒸着α型酸化アルミニウム層の上側層からなる複合２重α型酸化アルミニウム層で構成された上部層、以上（ａ）の下部層と（ｂ）の上部層で構成された硬質被覆層を形成してなることを特徴とする硬質被覆層がすぐれた耐熱衝撃性を有する表面被覆サーメット製切削工具。」が提案されている。

特許文献４には「炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン系サーメットからなるサーメット基体の表面に、（ａ）上側層として、０．２〜３μｍの平均層厚を有する酸化アルミニウム層、（ｂ）下側層として、０．８〜８μｍの平均層厚を有するＡｌとＴｉの複合窒化物層、以上（ａ）および（ｂ）からなる硬質被覆層を物理蒸着してなる表面被覆サーメット製切削工具にして、上記下側層を、層厚方向にそって、Ａｌ最高含有点とＡｌ最低含有点とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、かつ前記Ａｌ最高含有点から前記Ａｌ最低含有点、前記Ａｌ最低含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌおよびＴｉの含有割合がそれぞれ連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、さらに、上記Ａｌ最低含有点が、組成式：（Ａｌ_1-X Ｔｉ_X ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．３５〜０．６０を示す）、上記Ａｌ最高含有点が、組成式：（Ａｌ_1-Y Ｔｉ_Y ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｙは０．０５〜０．３０を示す）、をそれぞれ満足し、かつ隣り合う上記Ａｌ最低含有点とＡｌ最高含有点の間隔が、０．０１〜０．１μｍである、ＡｌとＴｉの複合窒化物層で構成したこと、を特徴とする高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆サーメット製切削工具。」が提案されている。

特許文献５には「基材の上にダイヤモンドおよび／またはダイヤモンド状カーボンの被膜を被覆したダイヤモンド被覆硬質部材において、該被膜に隣接する該基材の平均表面粗さがＲａ表示において０．１μｍ〜２．５μｍに調整されており、該被膜の平均表面粗さがＲａ表示において１．５μｍ以下に調整されており、かつ該被膜の平均表面粗さをＲａ（ｃ）と表示し、該基材の平均表面粗さをＲａ（ｓ）と表示したときに、Ｒａ（ｃ）≦Ｒａ（ｓ）であることを特徴とする表面粗さを調整したダイヤモンド被覆硬質部材。」が提案されている。

特開２００４−１８８５０２号公報特開２００４−１８８５００号公報特開２００４−１８８５７５号公報特開２００４−３５１５４０号公報特開平１０−２８７４９１号公報特許第３３７６３３４号公報

上記特許文献１〜４に提案されている表面被覆サーメット製切削工具は、硬質保護膜層の組成の研究に基づくものであるが、いずれの文献にも、硬質保護膜層を形成する前の母材に前処理を施すことについては記載されていない。また、特許文献５には、表面粗さを調整することにより、その基材表面に被覆する被膜の成膜時にダイヤモンドの核が容易に、かつ多量に形成できる点、緻密な膜とすることができる点、膜質に優れる点などを利点として挙げている。

しかし、後述するように、本発明者らの研究により高硬度鋼材の高速切削などに用いる切削工具の切削寿命は、表面粗さの調整だけでは説明しきれないことが判明した。

本発明者らは、切削寿命の向上の観点から、硬質保護膜層を形成させる前の工具母材（金属焼結体）に施す前処理について鋭意研究をし、本発明を完成させた。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、優れた工具寿命を有する切削工具を提供することを目的とする。

本発明は、下記（１）に示す切削工具および下記（２）に示す切削工具の製造方法を要旨とする。

（１）超硬材料で構成される金属焼結体表面に軟質粒子噴射による表面洗浄および表面形状加工処理を施した後、ドライコーテイング手法により硬質保護膜層を形成させることを特徴とする切削工具。

（２）超硬材料で構成される金属焼結体表面に軟質粒子噴射による表面洗浄および表面形状加工処理を施した後、ドライコーテイング手法により硬質保護膜層を形成させることを特徴とする切削工具の製造方法。

上記（１）および（２）において、硬質保護膜層は金属炭化物、金属窒化物、金属酸化物またはこれらの複合化合物を主体とする被覆層であることが望ましい。また、切削工具は、例えば、ネジ切削用チェザーとして用いることができる。

本発明によれば、工具母材（金属焼結体）と硬質保護膜層との密着性を向上することができるので、工具寿命の長い切削工具を提供することができる。この切削工具は、特に、高硬度鋼材のネジ切削などの過酷な切削条件に用いられるネジ切削用チェザーに有用である。

１．軟質粒子噴射による表面洗浄および表面形状加工処理について
軟質粒子噴射による表面洗浄および表面形状加工処理（以下、気相噴射ラッピング法と呼ぶ。）とは、軟質粒子を高速で被研磨材に噴射衝突させて、被研磨材の表面を洗浄し、かつ表面形状をサブミクロンメートルの範囲で鏡面加工処理する方法である。なお、軟質粒子とは、ミクロンメートル径の砥粒をコア材とし、このコア材の周囲を高分子系樹脂で覆った粒子状の研磨材である。

通常のラップ処理は、被研磨材の上下面を平板で挟み込み摺動回転させながら行う処理である。このとき、研磨材としてサブミクロンオーダーの粒径を有するアルミナまたはガラス微粉の水分散液が摺動界面に流し込まれるので、湿式の処理となる。このようなラップ処理は、平面体のラッピングに限定されるので、Ｒ部位、傾斜部位等のラッピングは構造上困難である。本発明者らは、このような観点から、Ｒ部位、傾斜部位のラッピングも可能である気相噴射ラッピング法に着目したのである。

そこで、気相噴射ラッピング法による工具母材（超硬材料で構成される金属焼結体）のラップ処理を研究した結果、気相噴射ラッピングが工具母材表面粗さを均一に調整して、硬質保護膜層との密着性を向上できることの他、通常の湿式の洗浄では落としきれない工具母材表面の不純物を物理的に除去できることを見出した。すなわち、気相噴射ラッピング法によれば、表面粗さだけでは説明することができない、工具母材と硬質保護膜層との密着性を高めることができ、工具寿命を飛躍的に向上させることができるのである。このため、本発明においては、硬質保護膜層を形成させる前の工具母材に気相噴射ラッピング法によるラップ処理を施すこととした。

ここで、砥粒としては、ダイヤモンド、炭化珪素、アルミナの１種以上を用いることができる。この砥粒の粒度としては、3000〜10000メッシュのものを用いるのがよい。マルチコーンとしては、特に限定しないが、水を含有することにより所望の弾力性および粘着性を有するゼラチンを用いることができる。ゼラチンを用いる場合には、マルチコーンの径は0.1〜２ｍｍとするのがよい。マルチ液には、蒸発防止材として水溶性オイルが含有させることができる。蒸発防止剤としては、例えば、エチレングリコール、ソルビトール等を用いることができる。

なお、工具母材を構成する超硬材料としては、特に限定はないが、ＷＣ-TiＣ-５％Coなどに代表される超硬合金、TiＣ-20％TiＮ-15％ＷＣ-10％Mo₂Ｃ-５％Niなどに代表されるサーメット等が挙げられる。この中、熱伝導率の観点および切削時の硬質保護膜層との界面熱ストレスを緩和させる観点から、超硬合金を用いるのが望ましい。

２．硬質保護膜層について
本発明の切削工具には、上記の工具母材に、スパッタ法、アークイオンプレーテイング法等に代表される物理蒸着法（ＰＶＤ法）、または、熱ＣＶＤ法およびプラズマＣＶＤ法に代表される化学蒸着法（ＣＶＤ法）により硬質保護膜層が形成される。この硬質保護膜層の化学組成には特に制限はない。

特に、AlTiＮで構成される下地層、TiＮで構成される中間層およびAl₂Ｏ₃で構成される最外層で構成される硬質保護膜層であることが望ましい。これは、下記の理由による。

下地層を構成するAlTiＮは、耐熱性および耐摩耗性に優れ、これらの性能は1000℃までは安定であり、しかも、基材との密着性にも優れる。また、切削中の温度上昇により下地層中のAlが解離し、外向拡散して、これが外気中の酸素と反応して、コーティングの表層（最外層）においてAl₂Ｏ₃で構成される保護膜を形成する。従って、下地層はAlTiＮで構成するのが望ましい。なお、下地層は、AlTiＮを主体とし、若干の不純物が含まれていてもよい。

中間層を構成するTiＮは、酸化温度が７００℃と低いため、本来は、比較的発熱の少ない低速または中速における切削に適する材料である。しかし、密着性に優れ、機械的な剥離に対して有効な物質であるので、中間層として構成するのが望ましい。中間層は、TiＮを主体とし、若干の不純物が含まれていてもよい。

最外層を構成するAl₂Ｏ₃は、機械的な剥離に弱い反面、耐熱性および耐摩耗性に優れ、この性能は2000℃まで安定である。したがって、最外層はAl₂Ｏ₃で構成するのが望ましい。なお、最外層は、Al₂Ｏ₃を主体とし、若干の不純物が含まれていてもよい。

このように、上記の硬質保護膜層は、最外層を耐熱性および耐摩耗性が最も高い材料で構成し、中間層を密着性が最も優れる材料で構成し、下地層を密着性、耐熱性および耐摩耗性がある程度優れ、しかも、切削時の熱によってAlが解離、外向拡散する材料で構成している。このため、最外層および中間層が剥離しても、すぐに、下地層から解離したAlがコーティングの表層で酸素と反応して、最外層の保護膜を補うので、安定して高い耐熱性および耐摩耗性が得られるのである。

なお、硬質保護膜層の厚さには制限はないが、逃げ面における硬質保護膜層の合計厚さが２〜80μｍであることが望ましい。逃げ面は、切削時にもっとも負荷がかかり、発熱が大きい箇所であるため、逃げ面の硬質保護膜層はできる限り厚くするのがよい。

特に、逃げ面の硬質保護膜層は、合計厚さで２μｍ以上とするのが望ましい。しかし、逃げ面における硬質保護膜層の合計厚さが80μｍを超えると、剥離しやすくなり、機械的な衝撃に弱くなる。また、成膜に要する時間が長くなる。このため、逃げ面の硬質保護膜層の合計厚さは、２〜80μｍとするのが望ましい。

切削工具の逃げ面における下地層（AlTiＮ）、中間層（TiＮ）および最外層（Al₂Ｏ₃）の厚さは、それぞれ0.5〜35μｍ、1.0〜40μｍおよび0.5〜５μｍであることが望ましい。

逃げ面における下地層（AlTiＮ）の厚さが0.5μｍ未満の場合、十分な耐熱性が得られないおそれがある。しかし、逃げ面における下地層（AlTiＮ）の厚さが35μｍを超えると、剥離しやすくなり、成膜に要する時間が長くなるだけである。よって、逃げ面における下地層（AlTiＮ）の厚さは、0.5〜35μｍであることが望ましい。

逃げ面における中間層（TiＮ）の厚さが1.0μｍ未満の場合、耐熱性が不十分となるおそれがある。しかし、逃げ面における中間層（TiＮ）の厚さが40μｍを超えると、剥離しやすくなり、成膜に要する時間が長くなるだけである。よって、逃げ面における中間層（TiＮ）の厚さは、1.0〜40μｍであることが望ましい。

逃げ面における最外層（Al₂Ｏ₃）の厚さは、十分な耐熱性を得るためには、0.5μｍ以上とするのが望ましい。しかし、逃げ面における最外層（Al₂Ｏ₃）の厚さが50μｍを超えると、剥離しやすくなり、成膜に要する時間が長くなるだけである。よって、逃げ面における最外層（Al₂Ｏ₃）の厚さは、0.5〜５μｍであることが望ましい。

一方、すくい面における硬質保護膜層の合計厚さが２〜40μｍであることが望ましい。すくい面は、切削時の発熱は小さいが、切削後の切り屑が接触する箇所であるため、表面粗さは小さいほうがよい。このため、硬質保護膜層はできる限り薄くするのがよい。

特に、すくい面における硬質保護膜層は、合計厚さで40μｍ以下とするのが望ましい。しかし、すくい面の硬質保護膜層の合計厚さが２μｍ未満では、切削中に早期に摩耗するため、十分な耐熱性が得られなくなるおそれがある。このため、すくい面の硬質保護膜層の合計厚さは、２〜40μｍとするのが望ましい。

切削工具のすくい面における下地層（AlTiＮ）、中間層（TiＮ）および最外層（Al₂Ｏ₃）の厚さは、それぞれ0.01〜２μｍ、１〜20μｍおよび１〜20μｍであることが望ましい。

すくい面における下地層（AlTiＮ）の厚さが0.01μｍ未満の場合、十分な耐熱性および密着性が得られなくなるおそれがある。しかし、すくい面における下地層（AlTiＮ）の厚さが２μｍを超えると、剥離しやすくなるばかりか、成膜に長時間を要する。よって、すくい面における下地層（AlTiＮ）の厚さは、0.01〜２μｍであることが望ましい。

すくい面における中間層（TiＮ）の厚さが１μｍ未満の場合、十分な耐熱性および密着性が得られなくなるおそれがある。しかし、すくい面における中間層（TiＮ）の厚さが20μｍを超えると、剥離しやすくなるばかりか、成膜に長時間を要する。よって、すくい面における中間層（TiＮ）の厚さは、１〜20μｍであることが望ましい。

すくい面における最外層（Al₂Ｏ₃）の厚さが１μｍ未満の場合、十分な耐熱性および密着性が得られなくなるおそれがある。しかし、すくい面における最外層（Al₂Ｏ₃）の厚さが20μｍを超えると、剥離しやすくなるばかりか、成膜に長時間を要する。よって、すくい面における最外層（Al₂Ｏ₃）の厚さは、１〜20μｍであることが望ましい。

３．本発明に係る切削工具の製造方法について
工具母材としての超硬合金またはサーメットの製造方法は、特に限定しないが、例えば、原料の各金属粉末を整粒・混合した後、これを所定形状の金型で加圧成形・打ち抜きし、得られた成形体を真空中で焼成することにより作製できる。このようにして作製した工具母材に前述の前処理を実施する。

硬質保護膜層の製造方法には制限はないが、例えば、以下のドライコーテイング手法を採用できる。すなわち、硬質保護膜層を構成する金属元素のみ用いた混合粉末を所定円板形状に加圧成形し、真空焼結後、ターゲットとし、スパッタ法、アークイオンプレーテイング法等に代表される物理蒸着法（ＰＶＤ法）、または、熱ＣＶＤ法およびプラズマＣＶＤ法に代表される化学蒸着法（ＣＶＤ法）を用いて、ターゲット成分を電気的に気相励起させる。その後、装置気相中に窒素ガス等を充填させ、気相励起させたターゲット成分と被膜体表面上にて化学結合させる。その結果、被膜体表面に所定の硬質保護膜成分が堆積し、これを熱処理することにより堆積成分が化学的に安定組成となり、被膜体に密着して、所期の硬質保護膜層を形成することができる。

本発明の効果を確認するべく、下記の方法で作製したネジ切削用チェザーを用いて、５％Ni含有合金（S13Cr鋼）を４機の切削加工機により切削速度90m/minでVAM-TOP外径ネジ切削を行い、その際の工具寿命を調査した。

まず、工具母材の原料となる各金属粉末を整粒・混合した後、これを所定形状金型で加圧成形・打ち抜きし、得られた成形体を真空中で1,450℃×1.0時間焼成し、工具母材を作製した。この母材に何の処理も施さず硬質保護膜層を形成させた工具（比較例）および母材に気相噴射ラッピング法によるラップ処理を施した後、硬質保護膜層を形成させた工具（本発明例）を用意した。

気相噴射ラッピング法によるラップ処理は、3000メッシュのダイヤモンド砥粒を高分子系樹脂により複合させて形成した粒径0.5〜2.0mmの研磨材を用いて行った。

各工具母材を、ＰＶＤ装置内に置き、AlおよびTiの混合焼結体をターゲットとして窒素ガス充填させて放電励起した各金属と窒素とを反応させ、工具母材にAlTiＮで構成される下地層を形成させた。その後、ＰＶＤ装置内で、Tiターゲットを窒素ガス雰囲気化で放電励起させ、TiＮで構成される中間層を、さらに、Alターゲットを酸素ガス雰囲気下で放電励起させ、Al₂Ｏ₃で構成される最外層を形成させてネジ切削用チェザーを作製した。

このようにして作製した各切削工具について切削寿命を調査した。切削寿命は、下記(1)〜(3)のいずれかの状況となるまでに切削できた個数を意味する。この判断基準に基づき、４機の切削加工機における切削寿命の平均値およびその標準偏差を求めた。
(1)切削工具本体の破損（刃先の割れ、欠けなど）
(2)切削工具表面の硬質保護膜層の剥離
(3)硬質保護膜への被削体成分の凝着

気相噴射ラッピング法を実施しなかった比較例では、切削寿命の平均値は60.8、標準偏差は18.5であったが、気相噴射ラッピング法を実施した本発明例では、切削寿命の平均値は77.0、標準偏差は2.5であり、安定して高い切削寿命が得られることが分かった。

本発明によれば、工具母材と硬質保護膜層との密着性を向上することができるので、工具寿命の長い切削工具を提供することができる。この切削工具は、特に、高硬度鋼材のネジ切削などの過酷な切削条件に用いられるネジ切削用チェザーに有用である。

Claims

超硬材料で構成される金属焼結体表面に軟質粒子噴射による表面洗浄および表面形状加工処理を施した後、ドライコーテイング手法により硬質保護膜層を形成させることを特徴とする切削工具。
硬質保護膜層が金属炭化物、金属窒化物、金属酸化物またはこれらの複合化合物を主体とする被覆層であることを特徴とする請求項１に記載の切削工具。
切削工具がネジ切削用チェザーであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の切削工具。
超硬材料で構成される金属焼結体表面に軟質粒子噴射による表面洗浄および表面形状加工処理を施した後、ドライコーテイング手法により硬質保護膜層を形成させることを特徴とする切削工具の製造方法。