JP2008188689A - 表面被覆切削工具 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の表面被覆切削工具は、基材と該基材の表面上に形成された被覆層とを含むものであって、該被覆層は、A層とB層とが交互にそれぞれ1層以上積層された交互層を含み、該A層は、AlとCrとを含む窒化物からなり、該A層を構成する金属原子の総数を1としたときのCrの原子数の比が0よりも大きく0.4以下であり、該B層は、TiとSiとを含む窒化物からなり、該B層を構成する金属原子の総数を1としたときのSiの原子数の比が0.05以上0.3以下であることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材の表面上に形成された被覆層とを備えるものである。このような基本的構成を有する本発明の表面被覆切削工具は、たとえばドリル、エンドミル、フライス加工用刃先交換型切削チップ、旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ、またはクランクシャフトのピンミーリング加工用チップ等として極めて有用に用いることができる。
本発明の表面被覆切削工具の基材としては、このような切削工具の基材として知られる従来公知のものを特に限定なく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等の炭窒化物等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、およびこれらの混合体など)、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体等をこのような基材の例として挙げることができる。このような基材として超硬合金を使用する場合、そのような超硬合金は、組織中に遊離炭素やη相と呼ばれる異常相を含んでいても本発明の効果は示される。
本発明の表面被覆切削工具の上記基材の表面上に形成される被覆層は、A層とB層とが交互にそれぞれ1層以上積層された交互層を含むことを特徴としている。本発明の被覆層は、このような交互層を含む限り、この交互層以外に他の層を含んでいても差し支えない。このような他の層としては、たとえば後述のような被覆層の最下層としてのA層やB層、または被覆層の最上層としてのC層を挙げることができるが、これらのみに限られるものではない。このような他の層は、基材と交互層との間に形成することができるとともに交互層上に形成することもでき、その積層配置は特に限定されない。なお、交互層を上記基材上に直接形成することも勿論可能である。
本発明の上記被覆層に含まれる交互層は、下記のA層とB層とが交互にそれぞれ1層以上積層されたものであり、該A層は、AlとCrとを含む窒化物からなり、該A層を構成する金属原子の総数を1としたときのCrの原子数の比が0よりも大きく0.4以下であり、該B層は、TiとSiとを含む窒化物からなり、該B層を構成する金属原子の総数を1としたときのSiの原子数の比が0.05以上0.3以下であるという構成を有している。
上記の交互層におけるA層は、AlとCrとを含む窒化物からなるものであるが、Alを含んでいるために高い耐酸化性を有している。また、A層はAlだけでなくCrも含むために耐酸化性がさらに高くなっている。また、A層においては、Alの含有量がたとえ高くなったとしてもCrを含有するためにA層の結晶構造が立方晶となって高硬度化する傾向にある。そして、これらの諸特性は高温においても発揮され、十分なる高温安定性を示すものとなる。なお、A層は、AlとCrとを含む限り窒素以外の他の元素を含んでいても差し支えない。
上記の交互層におけるB層は、TiとSiとを含む窒化物からなり、TiとSiとを含む限り窒素以外の他の元素を含んでいても差し支えない。このようにB層は、TiとともにSiを含んでいることから小さい残留応力値を示し応力緩和層としての作用を有している。また、B層の結晶構造は立方晶となっており、十分なる高温安定性を示すものとなる。なお、前述の通り、このB層はAlを含まないことを特徴とするものである。
本発明においては、A層およびB層の少なくとも一方にバナジウムが原子%で30原子%未満含まれていてもよい。この場合には、切削時における高温環境においてA層および/またはB層の表面が酸化したとしても、バナジウムの酸化物は低融点を有するのでバナジウムの酸化物が切削時の潤滑剤として作用するようになり、結果として被削材の融着を抑制できる傾向にある。バナジウムが30原子%以上含有される場合にはA層および/またはB層の硬度が低下する傾向にある。また、バナジウムが15原子%未満含有される場合には上記の被削材の融着を抑制できるとともにA層および/またはB層の硬度も高くすることができる。なお、本発明において、「原子%」とは、層を構成する金属原子の総原子数に対する原子数の割合(%)のことをいう。
上記A層およびB層の厚みは、それぞれ0.002μm以上2μm以下であることが好ましい。この範囲の厚みとすることにより、被覆層の表面で発生したクラックの進展(基材方向への進展)を最も効果的に抑制することができる傾向にある。また、A層およびB層の厚みがそれぞれ0.002μm未満である場合には、両層が混ざり合ってA層およびB層を交互に積層したことによる効果を得ることができない傾向にあり、2μmを超える場合にはクラックの進展の効果的な抑制効果が得られにくい傾向にある。
上記交互層においてA層とB層とは、中間遷移層を挟んで積層されており、該中間遷移層は、それに接する下層の組成から同じくそれに接する上層の組成へと厚み方向にその組成が連続的に変化することが好ましい。たとえば、上記交互層においてA層から積層が開始される場合を例にとると、まずそのA層上に中間遷移層が形成され、その中間遷移層上にB層が形成され、引き続きそのB層上に中間遷移層が形成され、次いでその中間遷移層上にA層が形成され、以後もこのような積層態様が繰り返されることにより交互層を形成することができる。なお、本発明においては、このように中間遷移層が形成される場合であっても、A層とB層とは交互に積層されるという表現を用いるものとする。
本発明においては、被覆層の最下層を上記のA層とすることができる。ここで、最下層とは、基材と直接に接触する被覆層中の層のことである。被覆層の最下層をA層とした場合には、切削初期に基材が露出したとしても、基材と被覆層との間の界面からの酸化を抑制することができる傾向にある。なお、最下層であるA層上に上記の交互層を形成する場合には、最下層であるA層上には交互層としてA層が積層されてもよく、またB層が積層されてもよい。
本発明においては、被覆層の最上層をC層とすることができる。ここで、C層はTiとSiとを含む炭窒化物(炭素と窒素を含む化合物)からなり、C層を構成する金属原子の総数を1としたときのSiの原子数の比が0.05以上0.3以下である。なお、本発明において、被覆層の最上層とは被覆層の表面を構成する層である。通常、このような最上層は、上記の交互層上に形成される。
本発明においては、被覆層は−8GPa以上0GPa以下の平均残留応力を有していることが好ましい。すなわち、被覆層の残留応力を平均すると上記範囲の圧縮残留応力となることが好ましく、便宜的に応力が解放されて残留応力を有さない場合も含むものとする。このように被覆層が、上記範囲の平均圧縮残留応力を有することにより、被覆層にチッピングが発生することを抑制することができ刃先の信頼性が向上し、以って切削工具の寿命を長期化することができる。
本発明において、被覆層の結晶構造は立方晶であることが好ましい。被覆層が立方晶である場合、被覆層の硬度が向上する傾向にある。たとえば、上記A層の場合、窒化物であるAlNを例にとると、AlNは通常六方晶であるが、準安定相である立方晶となった場合の格子定数は0.412nmであるのに対して、常温常圧で立方晶が安定相であるCrNの格子定数は0.414nmであり立方晶のAlNと非常に格子定数が近いため、その引き込み効果によりAlNは立方晶化して高硬度化する。このため、上記A層は、AlとCrとを含む窒化物とすることにより立方晶とすることが可能となる。
図3に、本発明の表面被覆切削工具の一例の刃先の模式的な拡大断面図を示す。この表面被覆切削工具1は、基材2と、基材2の表面上に形成された最下層であるA層12と、最下層であるA層12上にA層とB層とが交互にそれぞれ1層以上積層された交互層13と、交互層13上に積層された最上層であるC層14とから構成されている。なお、被覆層3は、最下層であるA層12と、交互層13と、最上層であるC層14とから構成されている。なお、この表面被覆切削工具1は、刃先交換型切削チップであり、すくい面4と逃げ面5との交差部が刃先稜線(刃先6)となる。
本発明の表面被覆切削工具は、たとえば、基材を準備する工程と、物理的蒸着法を用いてA層とB層とを交互にそれぞれ1層以上積層して交互層を形成する工程と、を少なくとも含む方法により製造することができる。ここで、物理的蒸着法としては、カソードアークイオンプレーティング法、バランスドマグネトロンスパッタリング法およびアンバランスドマグネトロンスパッタリング法からなる群から選択された少なくとも1種を用いることができる。
<表面被覆切削工具の作製>
(1)基材の洗浄
図6にその概略断面図を示したカソードアークイオンプレーティング装置に、基材2としてグレードがJIS規格P30の超硬合金であって、形状がJIS規格のSPGN120308であるチップを装着した。なお、図7は図6の装置の概略上面図である。
次に、基材2を中央で回転させた状態で、被覆層として表1に示す組成の最下層および交互層が得られるように、反応ガスとして窒素を導入しながら、基材2の温度を500℃、反応ガス圧を2.0Pa、バイアス電源110の電圧を−50V〜−200Vの範囲のある一定値に維持したまま、または徐々に変化させながらカソード106、107にそれぞれ100Aのアーク電流を供給することによって、カソード106、107から金属イオンを発生させて、表1に示す実施例1〜6および13〜20のそれぞれの最下層(ただし実施例13は形成しない)および交互層を形成した。ここで、交互層は、最下層上にA層とB層とを交互に1層ずつ表1に示す積層数だけそれぞれ積層することにより形成した。最下層は実施例1〜6、14、18〜20はB層とし、実施例15〜17はA層とした。また、交互層はA層から積層を開始し、B層で終了するようにした。なお、最下層の厚み、交互層中におけるA層およびB層のそれぞれの厚みならびに交互層の積層数については基材の回転速度で調整した。そして、最下層および交互層の厚みがそれぞれ表1に示す厚みとなったところで蒸発源(カソード)に供給する電流をストップした。
上記の工程で作製した実施例1〜6、13〜20および比較例1〜4の刃先交換型切削チップのそれぞれについて、実際に表3に示す条件で乾式の連続切削試験および断続切削試験を行ない、刃先の逃げ面摩耗量を測定した。その寿命評価結果を表2に示す。なお、表2において、逃げ面摩耗量の値が小さい方が寿命がより長いことを示している。
上記実施例1〜6および13〜20において、A層用のカソード106のアーク電流量をB層用のカソード107のアーク電流量よりも大きくした状態で交互層を形成したことを除き、他は全て上記実施例と同様にして、表4および表5に示す構成の被覆層を有する実施例7〜9の表面被覆切削工具(刃先交換型切削チップ)をそれぞれ作製した。
上記実施例1〜6および13〜20において、交互層の形成開始時においてはA層用のカソード106のアーク電流量をB層用のカソード107のアーク電流量と同一にし、その後、A層用のカソード106のアーク電流量をB層用のカソード107のアーク電流量よりも連続的に大きくしていくことによって、基材に最も近い側から基材から最も遠い側にかけてA層の厚み(1層厚み)λaとB層の厚み(1層厚み)λbとの比(λa/λb)が連続的に大きくなっている交互層を形成したことを除き、他は全て実施例1〜6および13〜20と同様にして、表6および表7に示す構成の被覆層を有する実施例10〜12の表面被覆切削工具(刃先交換型切削チップ)をそれぞれ作製した。なお、交互層におけるA層およびB層の積層数は、それぞれ570層ずつであった。
<穴あけ加工試験>
基材としての外径8mmのドリル(JISK10超硬合金)上に、実施例1、実施例7、実施例10、比較例1および比較例2のそれぞれの最下層、交互層および最上層を上記と同様にして形成して実施例1、実施例7、実施例10、比較例1および比較例2のそれぞれのドリル(すなわち表面被覆切削工具)を得た。そして、実施例1、実施例7、実施例10、比較例1および比較例2のそれぞれのドリルを用いて実際に被加工材であるSCM440(HRC30)の穴あけ加工試験を行ないその寿命評価を行なった。
基材としての外径8mmの6枚刃エンドミル(JISK10超硬合金)上に、実施例2、実施例8、実施例11、比較例2および比較例3のそれぞれの最下層、交互層および最上層を上記と同様にして形成して実施例2、実施例8、実施例11、比較例2および比較例3のそれぞれのエンドミル(すなわち表面被覆切削工具)を得た。そして、実施例2、実施例8、実施例11、比較例2および比較例3のそれぞれのエンドミルを用いて実際に被加工材であるSKD11(HRC60)の側面削り試験を行ないその寿命評価を行なった。
超硬合金製ポットおよびボールを用いて、質量で40%のTiNと10%のAlからなる結合材粉末と50%の平均粒径2.5μmの立方晶窒化ホウ素(cBN)粉末とを混ぜ合わせ、超硬合金製容器に充填し、圧力5GPa、温度1400℃で60分間焼結した。このcBN焼結体を加工し、ISO規格SNGA120408の形状のチップを得た。
グレードがJIS規格S20の超硬合金でその形状がJIS規格のCNMG120408である基材としてのチップ上に、実施例4、実施例7、実施例10、比較例1および比較例3のそれぞれの最下層、交互層および最上層を上記と同様にして形成して実施例4、実施例7、実施例10、比較例1および比較例3のそれぞれの刃先交換型切削チップ(すなわち表面被覆切削工具)を得た。そして、実施例4、実施例7、実施例10、比較例1および比較例3のそれぞれの刃先交換型切削チップを用いて以下に示す条件による湿式(水溶性エマルジョン)の連続旋削加工試験を行ない、寿命判定基準として刃先の逃げ面摩耗量が0.2mmを超える時間を測定することにより、その寿命評価を行なった。
Claims (10)
- 基材と、前記基材の表面上に形成された被覆層とを含む表面被覆切削工具であって、
前記被覆層は、A層とB層とが交互にそれぞれ1層以上積層された交互層を含み、
前記A層は、AlとCrとを含む窒化物からなり、前記A層を構成する金属原子の総数を1としたときの前記Crの原子数の比が0よりも大きく0.4以下であり、
前記B層は、TiとSiとを含む窒化物からなり、前記B層を構成する金属原子の総数を1としたときの前記Siの原子数の比が0.05以上0.3以下であることを特徴とする表面被覆切削工具。 - 前記交互層における前記A層の厚みをλaとし、前記B層の厚みをλbとしたとき、前記A層と前記B層との厚みの比であるλa/λbは、1≦λa/λb<5であることを特徴とする請求項1に記載の表面被覆切削工具。
- 前記交互層における前記A層の厚みをλaとし、前記B層の厚みをλbとしたとき、互いに隣接する前記A層と前記B層との厚みの比であるλa/λbは、前記基材に最も近い側ではλa/λb=1であり、前記基材から遠ざかるにしたがって前記λa/λbの値は連続的に大きくなっていき、前記基材から最も遠い側では1<λa/λb<5であることを特徴とする請求項1に記載の表面被覆切削工具。
- 前記被覆層の最下層は、前記A層であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
- 前記被覆層の最下層は、前記B層であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
- 前記被覆層の最上層は、C層であり、
前記C層は、TiとSiとを含む炭窒化物からなり、前記C層を構成する金属原子の総数を1としたときの前記Siの原子数の比が0.05以上0.3以下であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の表面被覆切削工具。 - 前記交互層において前記A層と前記B層とは、中間遷移層を挟んで積層されており、
前記中間遷移層は、それに接する下層の組成から同じくそれに接する上層の組成へと厚み方向にその組成が連続的に変化することを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の表面被覆切削工具。 - 前記被覆層は、−8GPa以上0GPa以下の平均残留応力を有していることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
- 前記被覆層の残留応力は、厚み方向において変化し、基材から遠ざかるにしたがってその残留応力の絶対値が大きくなることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
- 前記被覆層の結晶構造は、立方晶であることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
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