JP2008238344A - 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、該基体の表面に形成された少なくとも１層からなる被覆層とを備えており、前記被覆層は、少なくともＴｉおよびＡｌを含む窒化物、窒酸化物、炭窒化物および炭窒酸化物の群から選ばれる１種類以上で構成されており、前記基体は、上面にすくい面、側面に逃げ面をそれぞれ有し、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、前記すくい面におけるＸ線回折パターンのうち、（１１１）面に帰属するピークの２θと、（２００）面に帰属するピークの２θとの差が６．０以上であることを特徴とする。
【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層を積層する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、基体の表面に容易に耐摩耗性に優れた被覆層を形成す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、基体の表面に、少なくともＴｉおよびＡｌ元素を含む窒化物、窒酸化物、炭窒化物、炭窒酸化物の１種類以上で構成される少なくとも１層からなる被覆層の、前記すくい面におけるＸ線回折パターンのうち、（１１１）面に帰属するピークの２θと、（２００）面に帰属するピークの２θとの差が６．０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、逃げ面におけるＸ線回折パターンのうち、（１１１）面に帰属するピークの２θと、（２００）面に帰属するピーク２θとの差が６．０以上であることが好ましい。

また、上記発明において、前記被覆層が形成された基体の、Ｘ線回折法で検出されたピークの内、（１１１）面および（２００）に起因する回折ピークにおいて、すくい面におけるそれらの２θの差は、逃げ面のそれよりも大きいことが好ましい。

また、上記発明において、前記被覆層が形成された基体の、Ｘ線回折法で検出されたピークの内、（１１１）面および（２００）に起因する回折ピークにおいて、すくい面における２θ差の範囲は６．３°〜６．４°かつ、逃げ面における２θ差の範囲は６．０°〜６．２°であることが好ましい。

本発明の切削工具の製造方法は、基体の表面にイオンプレーティング法を用いて少なくとも１層からなる被覆層を形成する成膜工程を備えており、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅの少なくとも１種を含む不活性ガスと窒素ガスを１：１〜３：１の比率で混合したガス雰囲気中において、基体に印加するバイアス電圧の初期値を１０〜５０Ｖとし、その後１５０〜３００Ｖに変化させたアークイオンプレーティング法によって成膜することで、上記発明において、前記不活性ガスは、Ａｒを含んでいることが好ましい。

上記請求項１にかかる発明においては、衝撃のかかりやすい切削工具のすくい面のＸ線回折法で検出されたピークのうち、（１１１）面および（２００）面に起因する回折ピークにおいて、それらの２θの差が６．０°以上である構成により、高硬度化、高靭性化させることができるため、高寿命の切削工具を提供することができる。

つまり、従来品と比べて、結晶面間の２θの差を大きくすることにより、被覆層の結晶を歪ませ、その歪エネルギーによって、切削工具の高硬度化及び高靭性化を図ることができる。

同様に、逃げ面における（１１１）面および（２００）面に起因する回折ピークにおいて、それらの２θの差が６．０°以上とすることによって被覆層を高硬度、高靭性化させることができる。

また、切削工具のすくい面の結晶面間の２θの差を逃げ面よりも大きくすることによって、より優れた耐欠損性を有する被覆層とすることができるため望ましい。

特に、逃げ面における２θ差の範囲は６．０°〜６．２°かつ、すくい面のそれは６．３°〜６．４°とすることによって、硬質膜のすくい面における靭性と逃げ面における耐摩耗性が最適化され、ステンレス等の難削材の加工において優れた性能を発揮することができる。

また、本発明の切削工具の製造方法において、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅの少なくとも１種を含む不活性ガスと窒素ガスを１：１〜３：１の比率で混合したガス雰囲気中において、基体に印加するバイアス電圧の初期値を１０〜５０Ｖとし、その後１５０〜３００Ｖに変化させたアークイオンプレーティング法によって成膜することで、本発明の適正な歪みエネルギーを持った被覆層を容易に成膜することができる。

さらに、前記不活性ガスは、Ａｒを含んでいることでより安定して本発明の被覆層を成膜することが可能となる。

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を用いて説明する。

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。

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。

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、切削工具のすくい面におけるＸ線回折法で検出されたピークのうち、（１１１）面および（２００）面に起因する回折ピークにおいて、それらの２θの差が６．０°以上であることを特徴とするものである。（１１１）面と（２００）面に起因する回折ピークの２θの差が大きくなるということは、隣り合う結晶面に大きな歪みが生じるため、大きな歪エネルギーが発生し、その歪みエネルギーによって被覆層６の粒子間のエネルギーも増加するため被覆層６を高硬度化、高靭性化させることができ、高寿命の切削工具を提供することができる。つまり、２θの差を６．０°以上とすることで被覆層６を高硬度化と高靭性化を同時に行うことができる。

ここで、上記結晶面の回折ピークを測定するためには、Ｘ線回折分析（ＸＲＤ）によって測定することが可能である。測定条件としては、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、衝撃のかかりやすいすくい面においては歪みエネルギーによるさらなる強靭化を行うことによって耐欠損性を向上させることができる。つまり、逃げ面よりも歪みエネルギーを大きくする、つまり、（１１１）面のピークと（２００）面のピークの２θの差をより大きくすることによって、より優れた耐欠損性を有する被覆層６とすることができるため望ましい。

特に、すくい面の（１１１）面のピークと（２００）面のピークの２θの差を６．３°から６．４°の範囲内とすることによって、十分な靭性と耐欠損性を得ることができるとともに基体からの剥離が発生してしまうことを抑制することができる。

なお、すくい面におけるＸ線回折ピークの測定方法は、逃げ面における測定方法と同様の条件のＸ線回折分析によって測定できる
［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粉末、コバルト（Ｃｏ）、およびニッケル（Ｎｉ）から選ばれる少なくとも一種の鉄族金属粉末、および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、または、複合化合物粉末、白金族元素粉末等を混合、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、焼結体を作製する。

得られた焼結体に所望により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、すくい面と逃げ面における２θとの差をつけるために、成膜する前処理としてすくい面３の平均算術表面粗さ（Ｒａ）を０．０３〜０．２μｍ、逃げ面のＲａを０．０１〜０．１５前記焼結体に表面処理を施す。これにより、被覆層６の２θの差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６を成膜した後においても、図３に示すように基体２と被覆層６との界面（図２に示すE箇所）を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて１５０００倍で観察し、基体２の面粗さを測定することができる。具体的には、基体２と被覆層６との界面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２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２と略平行な直線を基準線Ｃとした。次に、基体２と被覆層６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２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、成膜時の基体に印加するバイアス電圧を初期１分間程度のみ１５〜５０Ｖとし、その後の成膜においてはバイアス電圧を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不活性ガスと窒素ガスを１：１〜３：１の比率で混合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。

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面処理をしたあと、表１の条件にて（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ膜を成膜した。

得られた試料の逃げ面における（１１１）面と（２００）面に起因するＸ線回折ピークと、すくい面における（１１１）面と（２００）面のＸ線回折ピークを、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、（１１１）面と（２００）面のＸ線回折ピークの差を逃げ面とすくい面それぞれについて算出した。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、すくい面の２θの差が本発明の範囲外である試料Ｎｏ．９〜１１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、すくい面の２θの差を本発明の範囲内とした試料Ｎｏ．１〜８では、耐摩耗性、耐欠損性共に高い性能を発揮した。

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 (7)

1. 基体と、該基体の表面に形成された少なくとも１層からなる被覆層とを備えており、
   前記被覆層は、少なくともＴｉおよびＡｌを含む窒化物、窒酸化物、炭窒化物および炭窒酸化物の群から選ばれる１種類以上で構成されており、
   前記基体は、上面にすくい面、側面に逃げ面をそれぞれ有し、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、
   前記すくい面におけるＸ線回折パターンのうち、（１１１）面に帰属するピークの２θと、（２００）面に帰属するピークの２θとの差が６．０以上であることを特徴とする切削工具。
2. 前記逃げ面におけるＸ線回折パターンのうち、（１１１）面に帰属するピークの２θと、（２００）面に帰属するピークの２θとの差が６．０°以上であることを特徴とする請求項１に記載の切削工具。
3. 前記すくい面における２θの差は、前記逃げ面における２θの差よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の切削工具。
4. 前記すくい面における２θの差は、６．３〜６．４°であり、前記逃げ面における２θの差は、６．０〜６．２°であることを特徴する請求項３に記載の切削工具。
5. 基体の表面にイオンプレーティング法を用いて少なくとも１層からなる被覆層を形成する成膜工程を備える切削工具の製造方法において、
   前記成膜工程は、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅの少なくとも１種を含む不活性ガスと窒素ガスを１：１〜３：１の比率で混合したガス雰囲気中において、
   基体に印加するバイアス電圧の初期値を１０〜５０Ｖとし、その後１５０〜３００Ｖに変化させることを特徴とする切削工具の製造方法。
6. 前記不活性ガスは、Ａｒを含んでい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. 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、前記切削工具を被削材の表面に接触させて、被削材の表面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退避工程とを、備えることを特徴とする切削方法。

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