JP2010207921A

JP2010207921A - すぐれた切屑排出性を示す表面被覆切削工具

Info

Publication number: JP2010207921A
Application number: JP2009053292A
Authority: JP
Inventors: Koichi Tanaka; 耕一田中; Hidemitsu Takaoka; 秀充高岡
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2009-03-06
Filing date: 2009-03-06
Publication date: 2010-09-24
Anticipated expiration: 2029-03-06
Also published as: JP5240666B2

Abstract

【課題】ナノサイズの表面平滑性を備え、すぐれた切屑排出性を示す表面被覆切削工具を提供する。
【解決手段】超硬合金、サーメット、立方晶窒化ほう素基超高圧焼結体からなる切削工具基体表面に、幅１０〜１００ｎｍ、高さ０．２〜２μｍの柱状晶を有し、さらに、原子間力顕微鏡により表面形状を測定した場合、幅１０〜１００ｎｍ、高さ２０ｎｍ以下の均一な凹凸を有し、かつ、１μｍ×１μｍの領域における平均面粗さを測定した場合、５ｎｍ以下の平均面粗さを有する（Ｃｒ_１−ＸＡｌ_Ｘ）Ｎ層（但し、Ｘは原子比で０．３〜０．７）からなる硬質被覆層を蒸着形成する。
【選択図】図３

Description

この発明は、硬質被覆層がすぐれた表面平滑性を備えることによって、すぐれた切屑排出を示す表面被覆切削工具（以下、被覆工具という）に関するものである。

一般に、被覆工具には、各種の鋼や鋳鉄などの被削材の旋削加工にバイトの先端部に着脱自在に取り付けて用いられるインサートや、前記インサートを着脱自在に取り付けて、面削加工や溝加工、さらに肩加工などに用いられるソリッドタイプのエンドミルと同様に切削加工を行うインサート式エンドミルや、穴あけ加工を行うドリルなどが知られている。

例えば、特許文献１においては、硬質被覆層を物理蒸着（ＰＶＤ）法で蒸着形成した表面被覆ドリル（以下、被覆ドリルという）において、ドリル先端部はポリッシュ加工せず、切屑排出溝の内周面のみをポリッシュ加工することにより切削性能を維持したまま切屑排出性を高めることが行われている。
また、特許文献２においては、硬質被覆層を物理蒸着（ＰＶＤ）法で蒸着形成した被覆ドリルにおいて、切屑排出溝表面に６００番より細かいＷＡ砥粒（ホワイトアランダム）を噴きつけることにより、切屑排出溝の微細突起除去を行い、切削性能の向上を図っている。
一方、特許文献３〜５にも示されるように、硬質被覆層としては、ＣｒとＡｌの複合窒化物層を物理蒸着（ＰＶＤ）法で蒸着形成することが知られている。

さらに、特許文献１〜５にも示されるように、工具基体表面に硬質被覆層を蒸着形成するに際しては、物理蒸着（ＰＶＤ）の１種であるアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）が広く利用されているが、表面粗度が問題となるケースでは、スパッタリング法も用いられている。最近では、物理蒸着（ＰＶＤ）の１種である圧力勾配型Ａｒプラズマガンを利用したイオンプレーティングも硬質被覆層の形成に利用されるようになってきている（特許文献６、特許文献７参照）。

特開２００４−２９９０１７号公報特開２０００−５２１１９号公報特開２００４−５０３８１号公報特許第３６６９７００号明細書特開２００６−５２４７４８号公報特開２００８−１００３２０号公報特開２００８−２６４８９０号公報

近年の切削加工装置のＦＡ化はめざましく、加えて切削加工に対する省力化、省エネ化、低コスト化さらに効率化の要求も強く、これに伴い、より一層切削条件の高速化も求められている。
例えば、上記従来の被覆ドリルにおいては、硬質被覆層をアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）法やスパッタリング（ＳＰ）法により蒸着形成することにより、耐摩耗性の向上、工具寿命の延命化を図っているが、従来被覆ドリルにおいては、硬質被覆層を形成した後に、切屑排出性を高めるために、切屑排出溝を後処理することによって表面平滑性を高めることが必要とされ、被覆ドリルの製造に多大の労力を要していた。
さらに、このような後処理を行ったとしても、その加工精度によってバラツキが生じやすく、特に、高速切削穴あけ加工条件下では、満足できる切屑排出性を得られないばかりか、工具寿命も短命であるという問題点があった。

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、上記の従来被覆工具の切屑排出性の向上と工具寿命の延命化を図るべく、硬質被覆層、特に、ＣｒとＡｌの複合窒化物層、に着目し、その表面性状について鋭意研究を行った結果、以下の知見を得た。
上記従来の被覆工具は、図２に示されるＰＶＤ装置の１種であるスパッタリング（ＳＰ）装置に上記の工具基体を装着し、例えば、
装置内加熱温度：３００〜５００℃、
工具基体に印加する直流バイアス電圧：−５０〜−１００Ｖ、
カソード電極：Ｃｒ−Ａｌ合金、
スパッタリング電力：３〜６ｋＷ、
装置内雰囲気ガス：窒素ガス＋Ａｒガス、
装置内ガス圧力：０．３〜１．５Ｐａ、
の条件で、硬質被覆層として上記ＣｒＡｌＮ層（以下、従来ＣｒＡｌＮ層という）を形成することにより製造されている。

しかし、前記ＣｒＡｌＮ層の形成を、例えば図１に概略説明図で示される物理蒸着装置の１種である圧力勾配型プラズマガンを２基利用したイオンプレーティング装置に上記の工具基体を装着し、
工具基体温度：室温〜１００ ℃、
蒸発源その１（プラズマガン１）：金属Ｃｒ、
蒸発源その２（プラズマガン２）：金属Ａｌ、
プラズマガン放電電力（プラズマガン１、２ともに）：７〜１５ｋＷ、
反応ガス流量：窒素（Ｎ_２）ガス５０〜１５０ｓｃｃｍ、
放電ガス（プラズマガン１、２ともに）：アルゴン（Ａｒ）ガス３０〜６０ｓｃｃｍ、
工具基体に印加する直流バイアス電圧：０Ｖ
という特定の条件で蒸着を行うと、この結果形成されたＣｒＡｌＮ層（以下、改質ＣｒＡｌＮ層という）は、図３にその模式図を示すように、特別の後処理を施すことなく蒸着ままで、前記従来ＣｒＡｌＮ層に比してすぐれた表面平滑性（ナノサイズの表面平滑性）を備え、その結果、高速穴あけ加工等の高速切削条件下においても、すぐれた切屑排出性を有し、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮することを見出した。

この発明は、上記の知見に基づいてなされたものであって、
「超硬合金、サーメットあるいは立方晶窒化ほう素基超高圧焼結体からなる切削工具基体の表面に、０．２〜２μｍの層厚のＣｒとＡｌの複合窒化物層からなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、
（ａ）上記ＣｒとＡｌの複合窒化物を、
組成式：（Ｃｒ_１−ＸＡｌ_Ｘ）Ｎ
で表した場合、Ｘは０．３〜０．７（ただし、原子比）を満足するＣｒとＡｌの複合窒化物であり、さらに、
（ｂ）上記ＣｒとＡｌの複合窒化物層は、幅１０〜１００ｎｍ、高さ０．２〜２μｍの柱状晶を有し、さらに、原子間力顕微鏡により上記ＣｒとＡｌの複合窒化物層の表面形状を測定した場合、幅１０〜１００ｎｍ、高さ２０ｎｍ以下の均一な凹凸を有し、かつ、１μｍ×１μｍの領域における平均面粗さを測定した場合、３ｎｍ以下の平均面粗さを有することを特徴とする表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。

この発明の被覆工具の硬質被覆層を構成する改質ＣｒＡｌＮ層において、Ｃｒ成分は高温強度を向上させ、一方Ａｌ成分は高温硬さおよび耐熱性（高温特性）を向上させる目的で含有するものであり、したがって、Ａｌの割合を示すＸ値がＣｒ成分との合量に占める割合（原子比）で同０．３未満であると、所望のすぐれた高温硬さおよび耐熱性（高温特性）を確保することができず、摩耗促進の原因となり、一方、Ａｌ成分の含有割合を示すＸ値が０．７を超えると、相対的にＣｒの割合が少なくなり過ぎて、層自体の高温強度の低下は避けられず、この結果チッピングなどが発生し易くなることから、Ｘ値を０．３〜０．７と定めたものである。
また、改質ＣｒＡｌＮ層からなる硬質被覆層の層厚が０．２μｍ未満では、所望の耐摩耗性を確保するのに不十分であり、一方その層厚が２μｍを越えると、後述するような表面平滑性にすぐれた硬質被覆層を形成することが困難となり、切屑排出性も低下してくることからなることから、改質ＣｒＡｌＮ層の平均層厚を０．２〜２μｍと定めた。

工具基体上へのＣｒＡｌＮ層を蒸着形成するための数多くの試験を行った結果、図１で示される物理蒸着装置の１種である圧力勾配型プラズマガンを２基利用したイオンプレーティングにより、工具基体上にＣｒＡｌＮ層を形成する条件を、例えば、
工具基体温度：室温〜１００ ℃、
蒸発源その１（プラズマガン１）：金属Ｃｒ、
蒸発源その２（プラズマガン２）：金属Ａｌ、
プラズマガン放電電力（プラズマガン１、２ともに）：７〜１５ｋＷ、
反応ガス流量：窒素（Ｎ_２）ガス５０〜１５０ｓｃｃｍ、
放電ガス（プラズマガン１、２ともに）：アルゴン（Ａｒ）ガス３０〜６０ｓｃｃｍ、
工具基体に印加する直流バイアス電圧：０Ｖ、
蒸着時間：３０〜１５０ｍｉｎ、
のような特定の条件に調整して蒸着すると、すぐれた表面性状（ナノサイズの表面平滑性）を備えた改質ＣｒＡｌＮ層が形成される。
この改質ＣｒＡｌＮ層を走査型電子顕微鏡により観察すると、幅１０〜１００ｎｍ、高さ０．２〜２μｍの柱状晶の改質ＣｒＡｌＮの形成が観察される。
図３に、改質ＣｒＡｌＮ層からなる硬質被覆層の膜厚方向縦断面模式図を示す。
この改質ＣｒＡｌＮの柱状晶の幅及び高さは、上記蒸着条件のうちの、特に、蒸着時間によって影響を受けるが、３０〜１５０ｍｉｎの蒸着によって、上記の幅、高さの柱状晶の改質ＣｒＡｌＮが形成される。
なお、改質ＣｒＡｌＮ層の層厚０．２〜２μｍは、ここでいう柱状晶の高さ０．２〜２μｍに対応するものである。
図４（ｂ）は、改質ＣｒＡｌＮ層表面組織状態を示す走査型電子顕微鏡写真、同（ｃ）に改質ＣｒＡｌＮ層の膜厚方向断面組織状態を示す走査型電子顕微鏡写真の一例である。

さらに、上記改質ＣｒＡｌＮ層について、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により改質ＣｒＡｌＮ層表面の表面形状を観察・測定したところ、幅１０〜１００ｎｍ、高さ２０ｎｍ以下の均一な凹凸を有し、かつ、１μｍ×１μｍの領域における平均面粗さを測定した場合、５ｎｍ以下の平均面粗さを有するものであった。
つまり、この発明における改質ＣｒＡｌＮ層は、蒸着形成後に何らかの後処理を施すことを必要とせず、蒸着ままで面粗さが小さく表面平滑性に優れたものであるから、このような改質ＣｒＡｌＮ層を、例えば、被覆ドリルの硬質被覆層として形成した場合には、切屑排出性にすぐれた被覆ドリルを得ることができ、これを高速切削（穴あけ加工）条件下での被覆ドリルとして用いた場合には、長期の使用に亘って、すぐれた切削性能を発揮するものである。
なお、改質ＣｒＡｌＮ層の柱状晶に関連して述べたと同様に、前記特定の条件で蒸着することによって、表面平滑性に優れたこの発明の改質ＣｒＡｌＮ層を蒸着形成することができるが、他の方法によって、この発明の改質ＣｒＡｌＮ層（即ち、所定サイズの柱状晶、凹凸サイズ、平均面粗さ）を形成することを何ら排除するものではない。

この発明の被覆工具は、硬質被覆層を構成する改質ＣｒＡｌＮ層が、蒸着ままですぐれた表面平滑性を備え、その結果、すぐれた切屑排出性を示すことから、切削加工において、すぐれた耐摩耗性、耐欠損性等のすぐれた工具特性を発揮し、工具寿命の延命化に寄与するものである。
特に、この発明の被覆工具を被覆ドリルとして用いたような場合には、高速穴あけ加工において、切屑排出性がすぐれるため、特に優れた耐欠損性を発揮する。

この発明の表面被覆切削工具の硬質被覆層（改質ＣｒＡｌＮ層）を蒸着形成するため圧力勾配型Ａｒプラズマガンを利用したイオンプレーティング装置の概略図を示す。従来の表面被覆切削工具の硬質被覆層（従来ＣｒＡｌＮ層）を蒸着形成するためスパッタリング（ＳＰ）装置の概略図を示す。この発明の表面被覆切削工具の改質ＣｒＡｌＮ層からなる硬質被覆層の膜厚方向縦断面模式図を示す。この発明の表面被覆切削工具の改質ＣｒＡｌＮ層からなる硬質被覆層の走査型電子顕微鏡写真を示し、（ａ）は観察方向を示す説明図、（ｂ）は改質ＣｒＡｌＮ層表面組織状態を示す顕微鏡写真（倍率：５００００倍）、（ｃ）は改質ＣｒＡｌＮ層の膜厚方向断面組織状態を示す顕微鏡写真（倍率：１０００００倍）である。

つぎに、この発明の被覆工具を実施例により具体的に説明する。
なお、ここでは被覆ドリルを中心にして説明するが、被覆ドリルに限らず、被覆インサート、被覆エンドミル等の各種の被覆工具に適用できるものである。

原料粉末として、平均粒径０．２μｍのＷＣ粉末、同２．３μｍのＣｒ_３Ｃ_２粉末、同１．５μｍのＶＣ粉末および同１．８μｍのＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末をそれぞれ表１に示される配合組成に配合し、さらにワックスを加えてアセトン中で２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で所定形状の各種の圧粉体にプレス成形し、これらの圧粉体を、６Ｐａの真空雰囲気中、７℃／分の昇温速度で１３７０〜１４７０℃の範囲内の所定の温度に昇温し、この温度に１時間保持後、炉冷の条件で焼結して、工具基体形成用丸棒焼結体を形成し、この丸棒焼結体から、研削加工にて、溝形成部の直径×長さが１ｍｍ×３８ｍｍの寸法並びにねじれ角３０度の２枚刃形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−４を製造した。

ついで、上記の工具基体Ｄ−１〜Ｄ−４を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図１に示される圧力勾配型Ａｒプラズマガンを利用したイオンプレーティング装置に装着し、プラズマガン１に対応する蒸発源として金属Ｃｒを、プラズマガン２に対応する蒸発源として金属Ａｌを装着し、Ａｒガスを導入してまず、装置内を排気して１．０×１０^−３Ｐａ以下の真空に保持しながら、Ａｒガスを導入して２．３×１０^−２Ｐａとしたのち、工具基体に２００Ｖのバイアス電圧を印加することによって、前記工具基体を２０分間Ａｒボンバード処理し、ついで、装置内を一旦１×１０^−３Ｐａ程度の真空にした後、圧力勾配型Ａｒプラズマガン１の放電電力を１０〜１５ｋＷ、同じくプラズマガン２の放電電力を７〜１０ｋＷとし、Ａｒガスを４５ｓｃｃｍ、窒素ガスを５０〜１５０ｓｃｃｍそれぞれ流しながら、炉内の圧力を３×１０^−２〜６×１０^−２Ｐａに保ち、蒸発源にプラズマビームを入射しＣｒとＡｌの蒸気を発生させるとともにプラズマビームでイオン化して、工具基体表面に、表２に示される目標層厚の改質ＣｒＡｌＮ層を硬質被覆層として蒸着形成することにより、本発明被覆工具としての本発明被覆表面被覆ドリル（以下、本発明被覆ドリルという）１〜８を製造した。
なお、表２に、本発明被覆ドリル１〜８の改質ＣｒＡｌＮ層の形成条件である圧力勾配型Ａｒプラズマガンを利用したイオンプレーティングの各種条件を示す。

比較の目的で、上記の工具基体Ｄ−１〜Ｄ−８を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図２に示されるスパッタリング（ＳＰ）装置に装着し、カソード電極（蒸発源）として金属ＣｒおよびＣｒ−Ａｌ合金を装着し、まず、装置内を排気して０．０１Ｐａ以下の真空に保持しながらヒーターで装置内を４５０℃に加熱した後、Ａｒガスを２００ｓｃｃｍ導入し、金属Ｃｒと前記工具基体との間に−８００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、前記工具基体表面を５分間Ｃｒボンバード処理し、ついで装置内に雰囲気ガスとして窒素ガスおよびＡｒガスを導入して０．５Ｐａの雰囲気とすると共に、前記Ｃｒ−Ａｌ合金と前記工具基体との間にバイアス電圧として−５０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、もって前記工具基体の表面に、表３に示される目標層厚の従来ＣｒＡｌＮ層を硬質被覆層として蒸着形成することにより、従来被覆工具としての従来被覆ドリル１〜８を製造した。
なお、表３には、従来被覆ドリル１〜８の従来ＣｒＡｌＮ層の形成されるスパッタリング条件を示す。

上記本発明被覆ドリル１〜８の改質ＣｒＡｌＮ層および従来被覆ドリル１〜８の従来ＣｒＡｌＮ層について、その層厚、柱状晶のサイズを走査型電子顕微鏡（ＣａｒｌＺｅｉｓｓ社製Ｕｌｔｒａ５５）を用いて、膜の破断面を観察することにより測定した。
なお、いずれの測定も、５点測定の平均値である。
表４、表５に、それぞれの測定値を示した。

さらに、上記本発明被覆ドリル１〜８の改質ＣｒＡｌＮ層について、その表面形状、平均面粗さを、原子間力顕微鏡（エスアイアイ・ナノテクノロジー社製ＳＰＡ３００ＨＶ（本体）ナノナビ（コントローラー部））で調査測定した。
表面形状測定は、幅１０〜１００ｎｍの領域における凹凸高さを測定することにより行い、また、平均面粗さ測定は、１μｍ×１μｍの領域において平均面粗さＲａを測定することにより行った。
従来被覆ドリル１〜８の従来ＣｒＡｌＮ層については、粗大粒子の存在により原子間力顕微鏡による表面形状、平均面粗さの測定が不可であったため、レーザー顕微鏡（ＫＥＹＥＮＣＥ製ＶＫ−９７１０）により１０μｍ×１０μｍの領域において平均面粗さを測定した。
なお、いずれの測定も、５点測定の平均値である。
表４、表５に、それぞれの測定値を示した。

表４から、本発明被覆ドリル１〜８の改質ＣｒＡｌＮ層は、幅１０〜１００ｎｍ、高さ０．２〜２μｍの柱状晶を有し、さらに、幅１０〜１００ｎｍ、高さ２０ｎｍ以下の均一な凹凸を有し、かつ、１μｍ×１μｍの領域における平均面粗さは５ｎｍ以下であり、蒸着ままで優れた表面平滑性を備えることがわかる。
これに対して、表５から、従来被覆ドリル１〜８の従来ＣｒＡｌＮ層は、平均粒径０．１〜０．５μｍの柱状結晶を有し、その平均面粗さは２０〜５０ｎｍであって、蒸着ままでは表面平滑性が極めて不十分であることがわかり、高速穴あけ加工に用いる場合には、切屑排出溝に表面を平滑にするための後処理が必要であることは明らかである。

つぎに、上記本発明被覆ドリル１〜８および比較被覆ドリル１〜８について、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの、ＪＩＳ・Ｓ４５Ｃの板材、
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．０３ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：１０ｍｍ、
の条件での炭素鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、７５ｍ／ｍｉｎ．および０．０１５ｍｍ／ｒｅｖ）、
を行い（水溶性切削油使用）、先端切刃面の逃げ面摩耗幅が０．３ｍｍに至るまでの穴あけ加工数を測定した。この測定結果を表４にそれぞれ示した。

表２、４、６に示される結果から、本発明被覆ドリル１〜８は、いずれも硬質被覆層を構成する改質ＣｒＡｌＮ層が０．２〜２μｍの層厚を有するとともに、幅１０〜１００ｎｍ、高さ０．２〜２μｍの柱状晶を有し、さらに、原子間力顕微鏡によりその表面形状を測定した場合、幅１０〜１００ｎｍ、高さ２０ｎｍ以下の均一な凹凸を有し、かつ、１μｍ×１μｍの領域における平均面粗さを測定した場合、５ｎｍ以下の平均面粗さで有し、その結果、優れた表面平滑性を備えることから、高速穴あけ切削加工条件下においても、優れた耐摩耗性、耐欠損性ばかりか優れた切屑排出性を示し、長期の使用に亘って優れた切削性能を発揮するとともに、工具寿命の延命化が図られる。
これに対して、表３、５、６から、従来被覆ドリル１〜８においては、表面平滑性が劣るため、高速穴あけ切削加工条件下では摩耗、欠損等により、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。

上述のように、この発明の被覆工具は、蒸着ままの硬質被覆層（改質ＣｒＡｌＮ層）の表面平滑性が優れるものであって、被覆ドリルばかりでなく、被覆インサート、被覆エンドミル等の各種被覆工具として用いることができ、そして、これによって、表面粗さに起因する工具欠損の発生を防止し得るとともに、被削材の仕上げ面精度向上を図ることもできることから、低コスト化に十分満足に対応できるとともにすぐれた切削性能を長期に亘って発揮する示すものであるから、工具寿命の延命化を図ることができるものである。

Claims

超硬合金、サーメットあるいは立方晶窒化ほう素基超高圧焼結体からなる切削工具基体の表面に、０．２〜２μｍの層厚のＣｒとＡｌの複合窒化物層からなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、
（ａ）上記ＣｒとＡｌの複合窒化物を、
組成式：（Ｃｒ_１−ＸＡｌ_Ｘ）Ｎ
で表した場合、Ｘは０．３〜０．７（ただし、原子比）を満足するＣｒとＡｌの複合窒化物であり、さらに、
（ｂ）上記ＣｒとＡｌの複合窒化物層は、幅１０〜１００ｎｍ、高さ０．２〜２μｍの柱状晶を有し、さらに、原子間力顕微鏡により上記ＣｒとＡｌの複合窒化物層の表面形状を測定した場合、幅１０〜１００ｎｍ、高さ２０ｎｍ以下の均一な凹凸を有し、かつ、１μｍ×１μｍの領域における平均面粗さを測定した場合、５ｎｍ以下の平均面粗さを有することを特徴とする表面被覆切削工具。