JP2008238314A - 切削工具およびその製造方法並びに切削方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐摩耗性に優れた（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる被覆層を備える切削工具を提供する
【解決手段】基体と、基体の表面に形成されたＴｉおよびＡｌを含む被覆層６とを備え、前記基体は、上面にすくい面、側面に逃げ面４を有し、すくい面と逃げ面との交差稜部の少なくとも一部に切刃を備える切削工具において、逃げ面における被覆層のＸ線解析パターンのうち（１１１）面に帰属するピークの半価幅Ｂｆを０．６°以上とする。また、前記すくい面における被覆層のＸ線解析パターンのうち、（１１１）面に帰属するピークの半価幅Ｂｒが０．９°以上であり、前記半価幅Ｂｆおよび前記半価幅Ｂｒが、Ｂｆ／Ｂｒ＝０．６〜０．８５の範囲内であることが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、基体の表面に被覆層を形成した切削工具およびその製造方法並びに切削方法に関する。

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体の表面に、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被覆層を形成してなる切削工具が広く用いられている。

中でも、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎからなる被覆層は、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、被覆層として好適に使用されている。かかる（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎからなる被覆層の性能向上のために種々の提案がなされている。

例えば、Ａｌ濃度が異なる３層以上の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎからなる積層構造を有し、Ａｌ濃度が高い層の間にＡｌ濃度が低い層を挟持してなる被覆層が提案されている（例えば特許文献１参照）。また、低硬度の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層と高硬度の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層とを交互に積層した多層（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層が提案されている（例えば特許文献２）。これらの技術は、靭性が高くかつ耐酸化性の低い層を、靭性が低くかつ耐酸化性の高い層で挟むことにより、被覆層での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抑制することができる。
特開平６−３１６７５６号公報 特開平１１−６１３８０号公報

しかしながら、Ａｌ濃度の低い層はＡｌ濃度が高い層と比べて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が進んで当該箇所が劣化し摩耗が進んでしまい、被覆層全体としての耐摩耗性が十分でないといった問題がある。

また、特許文献１および特許文献２に記載のような異なる組成からなる複数の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層が積層された多層構造を有する被覆層は、ＴｉとＡｌとの組成比率等を適宜調整するために反応系内に組成が異なる複数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恐れがあり、工業規模での実施が困難であるとの問題がある。

本発明は、上記問題点に鑑み、耐摩耗性に優れた（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる被覆層を備える切削工具を提供することを目的とする。また、基体の表面に耐摩耗性に優れた（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる被覆層を容易に形成することができる切削工具の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者は、上記課題を解決するため鋭意研究を重ねた結果、被覆層の結晶面配向性および結晶化度を考慮し、適正な状態で基体表面に被覆することにより優れた切削工具を提供できることを見出した。

即ち、本発明の切削工具は、基体と、該基体の表面に形成されたＴｉおよびＡｌを含む被覆層とを備え、前記基体は、上面にすくい面、側面に逃げ面を有し、前記すくい面と逃げ面との交差稜線の少なくとも一部に切刃を備える切削工具において、前記逃げ面における被覆層のＸ線解析パターンのうち（１１１）面に帰属するピークの半価幅Ｂｆが０．６°以上であることを特徴とするものである。

また、上記発明において、前記すくい面における被覆層のＸ線解析パターンのうち、（１１１）面に帰属するピークの半価幅Ｂｒが０．９°以上であり、前記半価幅Ｂｆおよび前記半価幅Ｂｒが、Ｂｆ／Ｂｒ＝０．６〜０．８５の範囲内であることを特徴とする。

また、上記発明において、前記半価幅Ｂｆおよび前記半価幅Ｂｒは、２θ＝３６．５〜３８．０の範囲内にＸ線解析パターンのピークを有することを特徴とする。

本発明の切削工具の製造方法は、上面および側面を有する基体を準備する工程と、該基体の上面の平均算術表面粗さ（Ｒａ）が０．０３〜０．２μｍ、側面のＲａが０．０１〜０．１５μｍとなるように表面処理を施す工程と、表面処理を行った後、前記基体の上面および側面にＴｉおよびＡｌを含む被覆層を形成する工程と、を備えることを特徴とする。

上記請求項１にかかる発明においては、被覆層におけるＴｉとＡｌとの組成比率の異なるターゲットを使用することなく、切削工具のうち最も耐摩耗性および耐欠損性が求められる切刃近傍における被覆層の逃げ面における結晶化度を制御することにより、被覆層全体として優れた耐摩耗性を備えることができる。そのため、高寿命の切削工具を提供することができる。

また、請求項２にかかる発明においては、耐摩耗性が重視される逃げ面と比較して、靭性が重視される被覆層のすくい面における結晶化度を制御することより、被覆層のすくい面、逃げ面の各箇所で求められる機能を十分に備えることができる。そのため、さらに高寿命の切削工具を提供することができる。

本発明の切削工具の一実施例を、切削工具の概略斜視図である図１、本発明の一実施例にかかる切削工具の概略断面図である図２、及び、図２の基体と被覆層の界面部分（Ｅ部分）の拡大図である図３を用いて説明する。

なお、上記切削工具としては、ろう付けタイプ又はスローアウェイタイプの旋削バイトに用いられる切削インサートや、ソリッドタイプのドリル又はエンドミル等、切削に寄与する切刃部分を備えるもののことを指す。なお、以下に記載の実施例においては切削工具としてホルダに取り付けられる切削インサートを例示して説明する。

図１によれば、本発明の切削工具（以下、単に工具と略す。）１は、主面にすくい面３を、側面に逃げ面４を、すくい面３と逃げ面４との交差稜線に切刃５を有し、基体２の表面に被覆層６を成膜した構成となっている。

本発明の被覆層６は、硬度や靭性、耐酸化性等の切削加工に必要な特性に優れている少なくともチタン元素（Ｔｉ）およびアルミニウム元素（Ａｌ）を含む複合化合物よりなる材質にて構成される。具体的には、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｗ，Ｎｂ，Ｓｉ）Ｎ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ等が挙げられる。中でも、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ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いるため、特に好ましい。

ここで本発明によれば、逃げ面４における被覆層６のＸ線解析パターンのうち（１１１）面に帰属するピークの半価幅Ｂｆが０．６°以上となっている。即ち、被覆層６を構成する粒子のうち、（１１１）面の粒子が微粒化されているとともに粒子の成長方向が均一となっている。これにより、逃げ面４の耐摩耗性を向上させることができる。

また、半価幅Ｂｆを０．６°〜０．８°の範囲内とすることが好ましい。これによって被覆層６を構成する粒子が基体２と略垂直に均一に成長する柱状結晶となり、かつ、ほぼ均一な結晶幅を持つようになるため、膜内に応力集中がかかりにくくなる。すなわち、均一に整列した構造を持つことによって、衝撃や摩擦によって粒子の脱落を起こしにくい構造となるため、特に擦れ摩耗によって摩耗が進行していく逃げ面において耐摩耗性を向上させることができる。

ここで、半価幅Ｂｆを測定する方法としては、Ｘ線回折分析（ＸＲＤ）によって測定することができる。分析の条件としては、例えばＣｕＫα線を用い、Ｘ線の出力を４０ｋＶ、４０ｍＡとし、ステップ幅０．０２°で測定可能である。

また、すくい面３における被覆層６のＸ線解析パターンのうち、（１１１）面に帰属するピークの半価幅Ｂｒを０．９°以上、特に０．９°〜１．２°の範囲内とし、かつ、半価幅Ｂｆおよび半価幅Ｂｒが、Ｂｆ／Ｂｒ＝０．６〜０．８５、特に０．７〜０．８の範囲内であることが好ましい。被覆層６を当該範囲に調整することによって、すくい面における被覆層の靭性を向上させることができる。

即ち、半価幅Ｂｒを０．９以上とすることによってすくい面に成膜される被覆層６の結晶がランダムに成長するため、粒子と粒子との界面を進むクラックの進展が偏向されやすくなる結果、大きな衝撃がかかりやすいすくい面での被覆層６の靭性が向上する。

また、Ｂｆ／Ｂｒを０．６以上０．８５以下とすることで逃げ面において十分な耐摩耗性を発揮することができるとともに、すくい面において十分な耐欠損性を発揮させることができ、耐摩耗性と耐欠損性のバランスを最適化させることができる。

このとき、半価幅Ｂｆおよび半価幅Ｂｒが、２θ＝３６．５〜３８．０°の範囲内に（１１１）面のＸ線解析パターンのピークを有することが好ましい。これより、成膜時に発生する残留圧縮応力を最適化することができる。つまり、半価幅Ｂｆおよび半価幅Ｂｒの２θを３６．５°以上３８．０°以下の範囲内に調整することで圧縮応力による被覆層の剥離やチッピングを抑制することができるとともに、圧縮応力の低下による膜の剥離を抑制することができる。

なお、すくい面におけるＸ線解析パターンのピークの測定方法は、半価幅Ｂｆを測定する方法と同様の条件のＸ線回折分析によって測定できるが、切削工具のすくい面はホルダの載地面に取り付けたときに、がたつきが発生することを抑えるため、研磨を施している部分があり、その部分のＸ線回折分析を行ってしまうと正確な値が得られにくくなってしまう。そのため、研磨部にマスクをしたり、研磨部を加工によって取り除いた状態でＸ線回折分析を行うことが望ましい。

［製造方法］
次に、本発明の切削工具の製造方法の一例として、炭化タングステン基超硬合金を基体とした切削工具用スローアウェイチップの製造方法について説明する。

まず、原料として炭化タングステン（ＷＣ）粉末と、コバルト（Ｃｏ）又はニッケル（Ｎｉ）の鉄族金属粉末を用い、さらに添加物として、周期表の４、５、６族金属、Ｓｉ、Ａｌから選ばれる元素の炭化物、窒化物、酸化物、炭窒化物等の化合物粉末、又は、複合化合物粉末、白金族元素粉末等を加えたものを混合、粉砕して混合粉末を作製する。

作製した混合粉末を一般的な成形法にて成形し、真空焼成、窒素雰囲気焼成等の還元雰囲気で焼成し、焼結体からなる基体を作製する。

当該基体の切削工具のすくい面となる第１面と、該第１面に連なるとともに切削工具の逃げ面となる少なくとも１つ第２面を備えており、前記すくい面と逃げ面との交差稜線が、切削工具の切刃として機能する。

なお、得られた基体に、所望によりＲ面ホーニングや、Ｃ面ホーニング等の刃先処理を施してもよい。

ここで、本発明によれば、被覆層６を成膜する前処理としてすくい面３となる基体の上面（第１面）の平均算術表面粗さ（Ｒａ）が０．０３〜０．２μｍ、逃げ面となる基体の側面（第２面）の平均算術表面粗さ（Ｒａ）が０．０１〜０．１５μｍとなるように表面処理を施すことによって、被覆層６の半価幅Ｂｆ、Ｂｒを本発明の範囲内に容易に調整することができる。

表面処理方法としては、ショットブラスト、ブラシ等の加工方法によって加工することが、切屑処理のためのブレーカ溝等の窪みにも均一に加工を施すことができるため望ましい。

このとき、逃げ面４の表面粗さをＲｆ、すくい面３の表面粗さをＲｒとしたとき、Ｒｆ＜Ｒｒとなるように加工することによって、被覆層６を成膜したときに逃げ面４とすくい面３の耐摩耗性および耐欠損性が最適化されるため望ましい。

ここで、基体２の表面粗さの測定方法は、触針式の表面粗さ測定器にて、ＪＩＳ Ｂ０６０１’０１に準拠して触針式表面粗さ測定器を用い、カットオフ値０．２５ｍｍ、基準長さ：０．８ｍｍ、走査速度：０．１ｍｍ／秒にて測定することができる。

また、被覆層を成膜した後に測定する場合は、基体と被覆層との界面９を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて１５０００倍で観察し、基体の面粗さを測定する。具体的には、図２及び図３に示すように、基体と被覆層との界面９での最も基体が突出している最高点を通る基体と略平行な直線Ａと最も基体がへこんでいる最低点を通り、基体と略平行な直線Ｂを形成する。そのＡとＢの最短距離の中点を通り、基体と略平行な直線を基準線Ｃとした。次に、基体と被覆層との界面の起伏の山の最高部および谷の最深部と基準線との最短距離をそれぞれの山と谷ごとに測定し、その距離の平均の値を基体の面粗さとした。上記方法にて基体の面粗さをすくい面と逃げ面でそれぞれ５箇所ずつ測定し、その平均を算出することによって擬似的に測定することができる。

表面処理を行った後、被覆層６を物理蒸着法（ＰＶＤ）によって以下の条件で成膜する。

例えば（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎ膜を成膜する基本的な条件は、成膜時のガス圧力２〜５Ｐａ、バイアス電圧１５〜３００Ｖ、成膜温度５００〜６００℃に制御する。

ここで、本発明によれば、成膜時の基体に加えるバイアス電圧を、初期１分間程度のみ１５〜５０Ｖとし、その後、１００〜３００Ｖへと変化させることによって、膜中の不活性ガス含有量を所定の範囲内に制御することができるとともに、被覆層のＸ線回折法で検出されたピークのうち、結晶の（１１１）面に起因するピークの強度を最大とすることができる。

また、特に、成膜時に導入する反応ガスとして窒素と不活性ガスとの流量比率が、不活性ガス／窒素＝１〜３とすることでより微細な結晶構造と成り、かつ、異常成長した粒子を少なくすることができるため望ましい。

ここで、不活性ガスを複数の種類使用する場合は、窒素の流量と不活性ガスの合計流量の比率を上記比率に調整する。

さらに、使用するターゲットは、（Ｔｉ_ｘ，Ａｌ_１−ｘ）からなる組成（ｘ：０．４〜０．７）のチタンアルミ合金を用いることがよい。

また、本発明の被覆層６の表面や基体２と被覆層６との間に、窒化チタン（ＴｉＮ）や炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等からなる硬質層を成膜してもよい。

［切削方法］
図４から図６に本発明の切削方法の工程図を示す。まず、図４に示すように、前記切削工具１１（図においては、例としてホルダに切削インサートを取り付けた旋削工具を記載する）を被削材１０に近づける。なお、切削工具１１と被削材１０は、相対的に近づけば良く、例えば、被削材１０を切削工具１に近づけても良い。

その後、被削材１０と切削工具１１の少なくとも一方を回転させる。なお、図においては、被削材１０が回転するものを例示している。次いで、図５に示すように前記切削インサートの切刃部分を被削材１０に接触させて被削材１０を切削する。その後、図６に示すように前記被削材１０から切削工具１１を離間させる。なお、切削加工を継続する場合は、切削工具１１と被削材１０を相対的に回転させた状態を保持して、被削材１０となる箇所に切削工具１１の切刃を接触させる工程を繰り返す。

以下に発明の実施例について説明する。

（実施例１）
平均粒径０．７μｍのＷＣ粉末８７質量％、Ｃｏ粉末１０質量％、ＴｉＣ粉末２質量％、ＮｂＣ粉末１質量％を粉砕、混合し、得られた混合粉末をプレス成形にてＣＮＭＧ１２０４０８形状に成形し、真空雰囲気で焼成して超硬合金基体を作成した。

得られた超硬合金基体のすくい面と逃げ面をショットブラストにて表２の表面粗さになるように表面処理をしたあと、アークイオンプレーティング法を用いて表１に記載の成膜条件にて（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ膜を成膜した。

次に、得られた試料の逃げ面における（１１１）面のＸ線解析ピークの半価幅Ｂｆと、すくい面における（１１１）面のＸ線解析ピークの半価幅Ｂｒを、ＣｕＫα線を用い、Ｘ線の出力を４０ｋＶ、４０ｍＡとし、ステップ幅０．０２°の条件のＸ線回折分析によって測定し、Ｂｆ、Ｂｒ、Ｂｆ／Ｂｒをそれぞれ表２に示した
また、基体と被覆層との界面９を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて１５０００倍で観察し、基体の面粗さを測定した。具体的には、基体と被覆層との界面９での最も基体が突出している最高点を通る基体と略平行な直線Ａと最も基体がへこんでいる最低点を通り、基体と略平行な直線Ｂを形成する。そのＡとＢの最短距離の中点を通り、基体と略平行な直線を基準線Ｃとした。次に、基体と被覆層との界面９の起伏の山の最高部および谷の最深部と基準線との最短距離をそれぞれの山と谷ごとに測定し、その距離の平均の値を基体の面粗さとした。上記方法にて基体の面粗さをすくい面と逃げ面でそれぞれ５箇所ずつ測定し、その平均を各試料について算出した。結果は表２に示した。

また、作製した試料を以下の条件にて切削試験を行った。

（連続切削条件）
被削材 ：ＳＵＳ３０４ 円柱材
工具形状：ＣＮＭＧ１２０４０８
切削速度：２００ｍ／分
送り速度：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１．５ｍｍ
切削時間：１５分
切削状態：エマルジョン１５％＋水８５％混合液による湿式
評価項目：顕微鏡にて切刃を観察し、フランク摩耗量・先端摩耗量を測定
（断続切削条件）
被削材 ：ＳＵＳ３０４ ４本溝入円柱材
工具形状：ＣＮＭＧ１２０４０８
切削速度：１２０ｍ／分
送り速度：０．２ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１ｍｍ
切削状態：エマルジョン１５％＋水８５％混合液による湿式
評価項目：欠損に至る衝撃回数、衝撃回数１０００回到達時における刃先の状態観察

表３より、半価幅Ｂｆが本発明の範囲外である試料Ｎｏ．１５〜１８では、フランク摩耗や先端摩耗の進行が早く、また、摩耗の急激な進行によって刃先の強度が低下してしまい、耐摩耗性および耐欠損性が共に低い性能であった。

一方、半価幅Ｂｆを本発明の範囲内とした試料Ｎｏ．１〜１４では、耐摩耗性、耐欠損性共に高い性能を発揮した。特に、すくい面の半価幅Ｂｒを調節した試料において特に高い性能を発揮した。

以上、本発明の実施形態を例示したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の目的を逸脱しない限り任意のものとすることができることは言うまでもない。

一実施例にかかる切削工具の概略斜視図である。 一実施例にかかる切削工具の概略断面図である。 図２の基体と被覆層の界面部分（Ｅ部分）の拡大図である。 本発明の切削方法の工程図である。 本発明の切削方法の工程図である。 本発明の切削方法の工程図である。

符号の説明

１、１１ 切削工具
２ 基体
３ すくい面
４ 逃げ面
５ 切刃
６ 被覆層
９ 基体表面（基体と被覆層との界面）
１０ 被削材

Claims (9)

1. 基体と、該基体の表面に形成されたＴｉおよびＡｌを含む被覆層とを備え、
   前記基体は、上面にすくい面、側面に逃げ面を有し、前記すくい面と逃げ面との交差稜線の少なくとも一部に切刃を備える切削工具において、
   前記逃げ面における被覆層のＸ線解析パターンのうち（１１１）面に帰属するピークの半価幅Ｂｆが０．６°以上であることを特徴とする切削工具。
2. 前記すくい面における被覆層のＸ線解析パターンのうち、（１１１）面に帰属するピークの半価幅Ｂｒが０．９°以上であり、
   前記半価幅Ｂｆおよび前記半価幅Ｂｒが、Ｂｆ／Ｂｒ＝０．６〜０．８５の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の切削工具。
3. 前記半価幅Ｂｆおよび前記半価幅Ｂｒは、２θ＝３６．５〜３８．０の範囲内にＸ線解析パターンのピークを有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の切削工具。
4. 前記被覆層が、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎからなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の切削工具。
5. 第１面および該第１面に連なる少なくとも１つの第２面を有する基体を準備する工程と、
   該基体の第１面の平均算術表面粗さ（Ｒａ）が０．０３〜０．２μｍ、第２面のＲａが０．０１〜０．１５μｍとなるように表面処理を施す工程と、
   表面処理を行った後、前記基体の第１面および第２面にＴｉおよびＡｌを含む被覆層を形成する工程と、を備えており
   前記第１面がすくい面、前記第２面が逃げ面、前記すくい面と逃げ面との交差稜線の少なくとも一部が切刃となることを特徴とする切削工具の製造方法。
6. 前記表面処理は、ショットブラスト加工又はブラシ加工であることを特徴とする請求項５に記載の切削工具の製造方法。
7. 前記被覆層は、物理蒸着法によって基体の第１面および第２面に形成されることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の切削工具の製造方法。
8. 前記被覆層を形成する工程において、基体に加えるバイアス電圧を、初期１分間程度のみ１５〜５０Ｖとし、その後、１００〜３００Ｖへと変化させることを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の切削工具の製造方法。
9. 請求項１乃至４のいずれかに記載の切削工具を用いて被削材を切削する切削方法であって、
   前記切削工具と前記被削材とを相対的に近づける近接工程と、
   前記切削工具および前記被削材の少なくとも一方を回転させ、前記切削工具の切刃を被削材に接触させて、被削材を切削する切削工程と、
   前記被削材と前記切削工具とを相対的に離間させる離間工程とを、備えることを特徴とする切削方法。

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