JP2009066673A

JP2009066673A - エンドミル

Info

Publication number: JP2009066673A
Application number: JP2007235077A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Waki; 真宏脇
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2007-09-11
Filing date: 2007-09-11
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2027-09-11
Also published as: JP5383019B2

Abstract

【課題】過酷な切削条件においても耐摩耗性と耐溶着性に優れた長寿命のエンドミルを提供する。
【解決手段】回転軸を有する棒状で、先端に形成された底刃２と、側方に形成された外周刃４とを具備する基体５の表面に、ＴｉとＡｌとを含む窒化物または炭窒化物からなる被覆層７を被着形成してなり、外周刃４の被覆層７におけるＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率が底刃２の被覆層７における比率よりも高いエンドミル１であって、溶着や欠損の発生しやすい切削条件においても長寿命な切削工具となる。
【選択図】図２

Description

本発明は基体の表面に被覆層を成膜してなるエンドミルに関する。

従来より、高速度鋼、超硬合金またはサーメットからなる母材表面にＴｉＡｌＮ等の硬質被覆層を被覆した硬質被覆エンドミルなどが知られており、例えば特許文献１では、エンドミル側面の外周刃を含む逃げ面（マージン部）における硬質被覆層をＴｉＡｌＮとし、切屑の通り道である溝底面（フルート部）における硬質被覆層をＴｉＮとすることによって、外周刃における耐摩耗性を向上できるとともに切屑の排出で熱を伴う摩耗にも強い硬質被覆層の構成とすることができることが記載されている。

また、本出願人は、特許文献２にて、ボールエンドミルにおける回転中心近傍の切刃に被覆する硬質膜の厚みを、周面の切刃に被覆する硬質膜の厚みよりも薄い構成とすることによって、切削速度が高くなる外周部には耐摩耗性を重視して膜厚を厚くするとともに、回転中心近くでは耐チッピング性を重視して膜厚を薄くすることにより、耐摩耗性と耐欠損性を兼備した長寿命のチップが得られることを開示した。

さらに、特許文献３では、ＴｉＡｌ複合化合物層のエッジ部におけるＴｉ／Ａｌ比をエッジ部以外の部位におけるＴｉ／Ａｌ比よりも高くすることによって、耐摩耗性に優れた切削性能を示す切削工具となることが開示されている。
実開平５−４１６２４号公報特開２００３−１４５３３７号公報特開平８−２６３７０６号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されたエンドミルのように、逃げ面における被覆層をＴｉＡｌＮとし、切屑の通り道である溝底面における被覆層をＴｉＮとする方法では、マスキングを用いなければならないために複雑な工程が必要であり、また高硬度材等の難削材を加工する場合には外周刃において耐摩耗性が悪くなり、かつ底刃においては耐溶着性が悪くなってしまうという問題があった。また、特許文献２のように回転中心近傍と外周部における被覆層の膜厚を変えるだけの方法では、高速切削加工や、高硬度材等の難削材の加工等の要求に対しては耐摩耗性および耐溶着性のさらなる向上が必要であった。

さらに、特許文献３のようにエッジ部とエッジ部以外の部位におけるＴｉ／Ａｌ比を変える方法では、エンドミルの耐摩耗性が向上するものの底刃における被覆層の酸化が進行して、溶着や摩耗が激しくなることがあった。

そこで、本発明は、過酷な切削条件においても耐摩耗性と耐溶着性に優れた長寿命のエンドミルを提供することにある。

本発明のエンドミルは、回転軸を有する棒状で、先端に形成された底刃と、側方に形成された外周刃とを具備する基体の表面に、ＴｉとＡｌとを含む窒化物または炭窒化物からなる被覆層を被着形成してなるエンドミルであって、前記外周刃の前記被覆層におけるＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率が前記底刃の前記被覆層における比率よりも高いことを特徴とする。

ここで、上記構成において、前記底刃における前記被覆層のＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率をＴｉ_ｒ、前記外周刃における前記被覆層のＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率をＴｉ_ｆとしたとき、Ｔｉ_ｆ／Ｔｉ_ｒが１．０３〜１．５であることが望ましい。

また、上記構成において、前記底刃における被覆層の膜厚ｔ_１と前記外周刃における被覆層の膜厚ｔ_２との比（ｔ_１／ｔ_２）が０．２〜０．８であることが望ましい。

さらに、上記構成において、前記被覆層が、前記底刃を含む断面において、前記基体の表面に対して垂直方向から前記底刃または前記外周刃に向かって５〜３０°傾いた方向に伸びる柱状結晶からなり、該柱状結晶の平均結晶幅が０．１〜１μｍである柱状結晶被覆層を含むことが望ましい。

本発明のエンドミルは、外周刃の前記被覆層におけるＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率が前記底刃の前記被覆層における比率よりも高いことが大きな特徴である。これによって、溶着しやすい底刃においては耐酸化性に優れて被覆層の表面における変質を防止できることから耐溶着性に優れる。一方、底刃に比べて高速断続切削条件にて摩耗しやすくチッピングの発生しやすい外周刃においては耐摩耗性及び耐チッピング性に優れる。その結果、溶着や欠損の発生しやすい切削条件においても長寿命な切削工具とするができる。

ここで、上記構成において、前記底刃における前記被覆層のＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率をＴｉ_ｒ、前記外周刃における前記被覆層のＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率をＴｉ_ｆとしたとき、Ｔｉ_ｆ／Ｔｉ_ｒが１．０３〜１．５であることが、底刃における耐溶着性と外周刃における耐摩耗性をともに高めることができる点で望ましい。

また、上記構成において、前記底刃における被覆層の膜厚ｔ_１と前記外周刃における被覆層の膜厚ｔ_２との比（ｔ_１／ｔ_２）が０．２〜０．８であることが、底刃において被覆層が剥離するのを防止できるとともに外周刃において被覆層が摩滅することを防止できる点で望ましい。

さらに、上記構成において、前記被覆層が、前記底刃を含む断面において、前記基体の表面に対して垂直方向から前記底刃に向かって５〜３０°傾いた方向に伸びる柱状結晶からなり、該柱状結晶の平均結晶幅が０．１〜１μｍである柱状結晶被覆層を含むことが、底刃における耐欠損性を高めることができる点で望ましい。

本発明のエンドミルの一例について、エンドミル１を側面から見た模式図である図１、図１のＡ−Ａ断面（破面）についての走査型電子顕微鏡写真である図２を基に説明する。

図１のエンドミル１は、回転軸Ｏを有する棒状で、先端に形成された底刃２と、側方に形成された外周刃４とを具備する基体５の表面に、ＴｉとＡｌとを含む窒化物または炭窒化物からなる被覆層７を被着形成してなる。

そして、本発明によれば、外周刃４の被覆層７におけるＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率が底刃２の被覆層７における比率よりも高いことが大きな特徴であり、これによって、溶着しやすい底刃２においては耐酸化性に優れて被覆層７の表面における変質を防止できることから耐溶着性に優れる。一方、底刃２に比べて高速断続切削条件となり摩耗しやすくチッピングの発生しやすい外周刃４においては耐摩耗性及び耐チッピング性に優れる。その結果、溶着や欠損の発生しやすい切削条件においても長寿命な切削工具とするができる。

ここで、上記構成において、底刃２における被覆層７のＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率をＴｉ_ｒ、外周刃４における被覆層７のＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率をＴｉ_ｆとしたとき、Ｔｉ_ｆ／Ｔｉ_ｒが１．０３〜１．５であることが、底刃２における耐溶着性と外周刃４における耐摩耗性をともに高めることができる点で望ましい。

なお、被覆層７中の各元素の含有比率は、透過型電子顕微鏡測定装置に備え付けられたエネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＳ）分析装置を用いて測定することができ、被覆層７中のＴｉ含有比率は各元素のピーク強度の総和とＴｉ元素のピーク強度との比率で算出される。ここで、エネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＳ）分析法におけるＴｉのＬα線のピーク（エネルギー０．４ｋｅＶ付近）についてはＮ元素のＫα線のピークと重なって正確な測定ができないために、Ｎ元素が含有される可能性がある場合にはこのピークは算出に用いるピークから外してＴｉのＫα線のピーク（エネルギー４．５ｋｅＶ付近）を用いてＴｉ_ｒ、Ｔｉ_ｆとも算出し、その比Ｔｉ_ｆ／Ｔｉ_ｒを求める。また、本発明によれば、Ｔｉ_ｒ、Ｔｉ_ｆの測定に際してはそれぞれ被覆層７の任意５箇所以上の測定値に基づいてその平均値として求めるものとする。

また、上記構成において、底刃２における被覆層７の膜厚ｔ_１と外周刃４における被覆層７の膜厚ｔ_２との比（ｔ_１／ｔ_２）が０．２〜０．８であることが、底刃２において被覆層７が剥離するのを防止できるとともに外周刃４において被覆層７が摩滅することを防止できる点で望ましい。

さらに、上記構成において、被覆層７が、底刃２を含む断面において、基体５の表面に対して垂直方向Ｂから底刃２に向かって５〜３０°傾いた方向（図２では傾き角度θと表示。）に伸びる柱状結晶からなり、該柱状結晶の平均結晶幅が０．０１〜１μｍである柱状結晶被覆層を含むことが、底刃２における耐欠損性を高めることができる点で望ましい。

なお、この構成において、柱状結晶の平均結晶幅が０．０２〜０．２μｍであることが、被覆層７の硬度および耐酸化性を維持できる点で望ましい。なお、被覆層７中の柱状結晶の結晶幅は、柱状結晶をなす被覆層７の中間の厚さにあたる部分に引いた線Ａにて測定する。被覆層７中の柱状結晶の平均結晶幅ｗ_ｔは線Ａの１００ｎｍ以上の長さＬを特定し、この長さＬの線Ａを横切る粒界の数を数えて、長さＬ／粒界の数によって算出することができる。

また、被覆層７は、単純なＴｉ_１−ａＡｌ_ａＮにて構成されていても良いが、例えば、Ｔｉ_{１−ａ−ｂ}Ａｌ_ａＭ_ｂ（Ｃ_ｘＮ_１−ｘ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、希土類元素およびＳｉから選ばれる１種以上であり、０≦ａ＜１、０＜ｂ≦１、０≦ｘ≦１である。）にて構成されていてもよい。

中でも、Ｔｉ_{１−ａ−ｂ}Ａｌ_ａＭ_ｂ（Ｃ_ｘＮ_１−ｘ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、希土類元素およびＳｉから選ばれる１種以上であり、０．４≦ａ≦０．６５、０≦ｂ≦０．３、０≦ｘ≦１である。）からなることが耐酸化性、耐摩耗性および耐欠損性を高める点で望ましい。さらには、上記組成の中でも、Ｔｉ_{１−ａ−ｂ−ｃ−ｄ}Ａｌ_ａＭ_ｂＷ_ｃＳｉ_ｄ（Ｃ_ｘＮ_１−ｘ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、希土類元素およびＳｉから選ばれる１種以上であり、０．４≦ａ≦０．６５、０≦ｂ≦０．３、０≦ｘ≦１である。）からなることが望ましく、この組成領域では、酸化開始温度が高くなって耐酸化性が高くて切削時の耐摩耗性が向上するとともに切刃先端に発生しやすいチッピングが抑制できて耐欠損性が高いものとなる。また、金属ＭはＮｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｙから選ばれる１種以上であるが、中でもＮｂまたはＭｏを含有することが耐摩耗性・耐酸化性に最も優れる点で望ましい。

さらに、被覆層７の非金属成分であるＣ、Ｎは切削工具に必要な硬度および靭性に優れたものであり、被覆層７表面に発生するドロップレットの過剰な発生を抑制するために、ｘ（Ｃ含有比率）の特に望ましい範囲は０≦ｘ≦０．５である。なお、被覆層７の組成はエネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＳ）分析法またはＸ線光電子分光分析法（ＸＰＳ）にて測定できる。

また、基体５としては、炭化タングステンや、炭窒化チタンを主成分とする硬質相とコバルト、ニッケル等の鉄族金属を主成分とする結合相とからなる超硬合金やサーメットの他、窒化ケイ素や、酸化アルミニウムを主成分とするセラミック、多結晶ダイヤモンドや立方晶窒化ホウ素からなる硬質相と、セラミックスや鉄族金属等の結合相とを超高圧下で焼成する超高圧焼結体等の硬質材料が好適に使用されるが、中でも耐欠損性に優れる超硬合金が最適である。

（製造方法）
次に、本発明のエンドミル１の製造方法について説明する。

まず、エンドミル１の形状の基体５を従来公知の方法を用いて作製する。次に、基体５の表面に、被覆層７を成膜する。被覆層７の成膜方法として、イオンプレーティング法やスパッタリング法等の物理蒸着（ＰＶＤ）法が好適に適応可能である。成膜方法の一例についての詳細について説明すると、被覆層７をイオンプレーティング法で作製する場合には、金属チタン（Ｔｉ）、金属アルミニウム（Ａｌ）、金属Ｍ（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、希土類元素およびＳｉから選ばれる１種以上）をそれぞれ独立に含有する金属ターゲットまたは複合化した合金ターゲットに用いる。

このとき、本発明によれば、上記金属または合金ターゲットとともに別途Ｔｉの金属または化合物ターゲットを準備し、Ｔｉターゲットはチャンバの上壁面位置に、それ以外の金属または合金ターゲットはチャンバの側壁面位置にセットする。そして、エンドミル１の底刃２が上壁面を向くようにエンドミル基体５を試料台にセットして、後述の成膜条件にて成膜することによって、成膜された被覆層７の組成を本発明の構成とすることができる。

成膜条件としては、このターゲットを用いて、アーク放電やグロー放電などにより金属源を蒸発させイオン化すると同時に、窒素源の窒素（Ｎ_２）ガスや炭素源のメタン（ＣＨ_４）／アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）ガスと反応させる条件が好適に採用できる。このとき、窒素に対するアルゴンガス流量が１：９〜４：６の割合の窒素（Ｎ_２）ガスとアルゴン（Ａｒ）ガスの混合ガスを用いて、イオンプレーティング法またはスパッタリング法によって被覆層７を成膜する。このとき、基体５のセット位置は外周刃がチャンバの側面とほぼ平行に、かつ底刃がチャンバの上面とほぼ平行な向きにセットする。

なお、イオンプレーティング法やスパッタリング法で上記被覆層７を成膜する際には、被覆層７の結晶構造を考慮して高硬度な被覆層７を作製できるとともに基体５との密着性を高めるために３０〜２００Ｖのバイアス電圧を印加することが好ましい。

平均粒径０．５μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末に対して、金属コバルト（Ｃｏ）粉末を１０質量％、炭化バナジウム（ＶＣ）粉末を０．２質量％、炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）粉末を０．８質量％の割合で添加、混合し、刃先交換式切削工具（ＣＮＭＧ０４０８）インサート形状に成型して焼成した。そして、研削工程を経た後、アルカリ、酸、蒸留水の順によって表面を洗浄してエンドミル基体（直径４ｍｍ刃長１０ｍｍ２枚刃）を作製した。

そして、表１に示すターゲットを装着したアークイオンプレーティング装置内に上記基体をセットし基体を５００℃に加熱して表１に示す被覆層７を成膜した。なお、メインターゲットはチャンバの側壁面に３個、サブターゲットはチャンバの上壁面に１個セットした。また、成膜条件は窒素ガスとアルゴンガスの混合ガスを総圧力４Ｐａの雰囲気中、アーク電流１５０Ａ、バイアス電圧５０Ｖとした。

得られたエンドミルについて、被覆層７の表面からキーエンス社製走査型電子顕微鏡（VE8800）を用いて倍率５００００倍にて組織観察を行った。また、同装置に付随のＥＤＡＸアナライザ（AMETEK EDAX-VE9800）を用いて加速電圧１５ｋＶにてエネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＳ）分析法の一種であるＺＡＦ法により被覆層７の組成の定量分析を行い、底刃と外周刃それぞれについてＴｉとＡｌの比率であるＴｉ／（Ｔｉ＋Ａｌ）を算出した（Ｔｉ_ｒ、Ｔｉ_ｆ）。なお、この測定においては交差稜線に沿って測定を行い、その平均値を算出して定量化した。また、外周刃については刃長領域を長手方向に３つの領域に分割して各領域の任意の０．５ｍｍずつについて上記方法で組成分析を行い、これらの平均値を算出した。

また、エンドミルの底刃を含む破断面について、上記同様に走査型電子顕微鏡にて観察を行い、被覆層７を構成する結晶の形状や膜厚（ｔ_１、ｔ_２）を確認した。結果は表２に示した。

さらに、得られたエンドミルを用いて以下の切削条件にて切削試験を行った。結果は表３に記載した。

切削方法：ダウンカット
被削材：ＳＫＤ１１
切削速度（送り）：２２０ｍｍ／分
送り：０．０２２ｍｍ／刃
切り込み：深さ８ｍｍ、径方向切込み０．７ｍｍ
切削状態：乾式
評価方法：３０分間切削した時点で、逃げ面摩耗量と切刃におけるチッピング状態を測定。

表１〜３より、ＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率が底刃と外周刃とで同じか、または底刃よりも外周刃のほうが低い試料Ｎｏ．１１〜１３では摩耗の進行が早かった。

これに対して、ＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率が底刃よりも外周刃において高い試料Ｎｏ．１〜１０では、耐欠損性と耐摩耗性が良くて切削性能に優れたものであった。

本発明のエンドミルを側面から見た模式図である。図１のＡ−Ａ断面（破面）についての走査型電子顕微鏡写真である。

符号の説明

１エンドミル
２底刃
４外周刃
５基体
７被覆層
Ａ被覆層の中間の厚さにあたる部分に引いた線
Ｂ基体の表面に対する垂直方向
θ 被覆層を構成する柱状結晶の傾き角度

Claims

回転軸を有する棒状で、先端に形成された底刃と、側方に形成された外周刃とを具備する基体の表面に、ＴｉとＡｌとを含む窒化物または炭窒化物からなる被覆層を被着形成してなるエンドミルであって、前記外周刃の前記被覆層におけるＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率が前記底刃の前記被覆層における比率よりも高いことを特徴とするエンドミル。
前記底刃における前記被覆層のＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率をＴｉ_ｒ、前記外周刃における前記被覆層のＴｉとＡｌとの総量に対するＴｉの比率をＴｉ_ｆとしたとき、Ｔｉ_ｆ／Ｔｉ_ｒが１．０３〜１．５であることを特徴とする請求項１記載のエンドミル。
前記底刃における被覆層の膜厚ｔ_１と前記外周刃における被覆層の膜厚ｔ_２との比（ｔ_１／ｔ_２）が０．２〜０．８であることを特徴とする請求項１または２記載のエンドミル。
前記被覆層が、前記底刃を含む断面において、前記基体の表面に対して垂直な方向から前記底刃に向かって５〜３０°傾いた方向に伸びる柱状結晶からなり、該柱状結晶の平均結晶幅が０．１〜１μｍである柱状結晶被覆層を含む請求項１乃至３のいずれか記載のエンドミル。