JP2011189419A

JP2011189419A - 耐摩耗性に優れた被覆工具

Info

Publication number: JP2011189419A
Application number: JP2010055292A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Konishi; 秀之小西; Tomoya Sasaki; 智也佐々木; Takashi Ishikawa; 剛史石川
Original assignee: Hitachi Metals Ltd; Hitachi Tool Engineering Ltd
Current assignee: Moldino Tool Engineering Ltd; Proterial Ltd
Priority date: 2010-03-12
Filing date: 2010-03-12
Publication date: 2011-09-29

Abstract

【課題】熱処理後の高硬度鋼の高速切削、乾式切削といった金属材料等の切削加工等に使用される耐摩耗性に優れた被覆工具を提供する。
【解決手段】工具基材の表面にＴｉＡｌ系の窒化物でなる硬質皮膜を被覆した被覆工具であって、該硬質皮膜は、０．５〜１．０原子％のＡｒを含有し、且つ、Ｘ線回折における結晶の（２００）面のピーク強度が最大であることを特徴とする耐摩耗性に優れた被覆工具である。また、本発明において硬質皮膜は（２００）面の格子定数が０．４２０ｎｍ以上の結晶構造を有することが好ましい。
【選択図】なし

Description

本発明は、熱処理後の高硬度鋼の高速切削、乾式切削といった金属材料等の切削加工等に使用される耐摩耗性に優れた被覆工具に関するものである。

従来、超硬合金にＴｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、および炭窒酸化物の硬質被覆層を被覆することで、切削工具等の耐摩耗性や耐酸化性の特性改善が行われてきた。中でも、ＴｉＡｌＮ皮膜はＴｉＮやＴｉＣＮに比べて耐摩耗性と耐酸化性が高く金属加工の高速切削に適用されていた。
近年、前記硬質被覆層の更なる特性向上のために、最外層に、アルゴンイオン、炭素イオン、および酸素イオンの内の１種以上の注入による格子歪みを形成してなる耐摩耗性に優れた表面被覆炭化タングステン基超硬合金が提案されている（特許文献１）。
また、前記硬質膜中にＨｅ，Ｎｅ，Ａｒ，ＫｒおよびＸｅから選ばれる少なくとも１種以上の希ガス元素を０．０１〜２５原子％含有した、膜硬度と密着性に優れた硬質膜被覆部材が提案されている（特許文献２）。
また、基体の表面に少なくともＴｉを含む窒化物、窒酸化物、炭窒化物および炭窒酸化物の１種以上で構成された硬質皮膜に不活性ガス元素（Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｘｅ，Ｋｒ，Ｒｎ）の少なくとも１種以上を０．０１〜１質量％含有すると共に、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が最大であることを特徴とした、耐欠損性および耐摩耗性に優れた表面被覆体が提案されている（特許文献３）。

特開平１−２７４９０３号公報特開平６−２４８４２０号公報特開２００６−１５０５８３号公報

特許文献１〜３の硬質皮膜は耐摩耗性の改善に一定の効果を得ることができるが、近年ますます過酷になっている切削条件下では、なお耐摩耗性は十分に満たされているとはいえない。本発明の目的は、上記課題に鑑み耐摩耗性を大きく改善した被覆工具を提供することである。

本発明者は、ＴｉＡｌ系の窒化物皮膜の更なる耐摩耗性向上について検討を行った結果、皮膜の成膜中にＡｒを所定の範囲にて含有させ、皮膜構造を制御することにより皮膜の耐摩耗性が一段と向上することを突きとめ、本発明に到達した。

すなわち本発明は、工具基材の表面にＴｉＡｌ系の窒化物でなる硬質皮膜を被覆した被覆工具であって、該硬質皮膜は、０．３〜１．０原子％のＡｒを含有しかつ、Ｘ線回折における結晶の（２００）面のピーク強度が最大であることを特徴とする耐摩耗性に優れた被覆工具である。
また、本発明は、該硬質皮膜は（２００）面の格子定数が０．４２０ｎｍ以上の結晶構造を有することが好ましい。

本発明によれば、硬質皮膜の耐摩耗性を向上させることができる。よって、耐摩耗性に優れた被覆工具に有効な技術となる。

本発明の特徴は、ＴｉＡｌ系の窒化物でなる硬質皮膜中へのＡｒの含有および該硬質皮膜の（２００）面への配向の制御にある。以下、その詳細について述べる。

（１）工具基材の表面に被覆した硬質皮膜はＴｉＡｌ系の窒化物である。
ＴｉＡｌ系窒化物は皮膜硬さ、皮膜の耐熱性が元より優れており、切削加工に用いることができる。
また、好ましいＴｉＡｌ系の窒化物は、Ａｌを４０原子％から７０原子％含有させたＴｉＡｌＮである。また、該ＴｉＡｌＮへＣｒやＶ等の他の元素を適量含有させてもよい。さらに、本発明の硬質皮膜および、他の皮膜との１層以上の積層構造であってもよい。

（２）硬質皮膜は、Ａｒの含有量が０．５〜１．０原子％である。
Ａｒは硬質皮膜の成膜中において、ＴｉＡｌ系の窒化物中の結晶格子内、結晶粒界に含有されることによって、ＴｉＡｌＮ系の窒化物の結晶粒径を微細化させ、硬質皮膜の耐摩耗性を向上させる。Ａｒの含有量が０．５原子％未満であると、Ａｒの含有によるＴｉＡｌＮ系の窒化物における結晶粒径の微細化の程度が小さく、硬質皮膜の耐摩耗性の向上効果が小さい。反対に、Ａｒの含有量が１．０原子％を超えて大きくなると、ＴｉＡｌＮ系の窒化物の結晶粒径が小さくなりすぎ、また、Ａｒの含有量が多くなりすぎることによって硬質皮膜が脆くなり、硬質皮膜の耐摩耗性を低下させる。よって、本発明ではＡｒの含有量を０．５〜１．０原子％とした。

（３）硬質皮膜は、Ｘ線回折における結晶の（２００）面に起因するピークの強度が最大である。
本発明のＴｉＡｌ系の窒化物でなる硬質皮膜は、成膜条件の変化によってＸ線回折における（１１１）面、（２００）面の各強度比が変化する。本発明者等の検討によるとＡｒの含有量が本発明で規定する０．５〜１．０原子％においては、（２００）面のピーク強度が他のピークより大きい、すなわち最大である硬質皮膜は、優れた耐摩耗性を示す。
よって本発明の耐摩耗性に優れた被覆工具はＸ線回折における結晶の（２００）面に起因するピークの強度が最大であるとした。

（４）好ましくは、該硬質皮膜は、結晶の（２００）面の格子定数が０．４２０ｎｍ以上の結晶構造である。
本発明のＴｉＡｌ系の窒化物でなる硬質皮膜は結晶の（２００）面の格子定数が０．４２０ｎｍ以上であることによって、結晶格子中に十分な量のＡｒが含有される。そして、結晶格子が歪むことによって硬質皮膜の残留圧縮応力が増加し、硬質皮膜の耐摩耗性を向上させることができるので望ましい。

なお、本発明の被覆工具に採用した上記の硬質皮膜は、例えばアークイオンプレーティング法やスパッタリング法での成膜が可能である。その中でも、スパッタガスとしてＡｒを用いたスパッタリング法であれば硬質皮膜中にＡｒを含有させやすく望ましい。
さらに、ＨＩＰＩＭＳ（ＨｉｇｈＰｏｗｅｒＩｍｐｕｌｓｅＭａｇｎｅｔｒｏｎＳｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）やＨＰＰＭＳ（ＨｉｇｈＰｏｗｅｒＰｕｌｓｅＭａｇｎｅｔｒｏｎＳｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）等に代表される高出力パルスマグネトロンスパッタリング法は、高出力にてスパッタリングを行うことができ、スパッタガスとしてＡｒを用いることによって効率的に硬質皮膜中にＡｒを含有させることができ望ましい。

表面処理を行う基材は、切削試験用に外径１０ｍｍの超硬合金製２枚刃ボールエンドミル、および硬質皮膜の物性評価用として、寸法１２．５×１２．５×５ｍｍの超硬合金製チップのラップ加工試料を用意した。
高出力パルスマグネトロンスパッタリング装置を用いた場合（以下、高出力スパッタと記す）、金属成分のスパッタリング源である原子比率でＴｉ_５０Ａｌ_５０の合金製ターゲット、ならびにスパッタガスとしてアルゴンガス、反応ガスである窒素ガスを選択し、被覆基体温度５００℃、アルゴンガス流量を５００ｍｌｎの条件にて装置内に導入し、装置内の圧力が６００ｍＰａになるように窒素ガス導入量にて制御を行い、コーティング時の被覆基体へのバイアス電圧を変化させて、４ｋＷのＤＣ電源出力を周波数６００Ｈｚ（キャパシタによる出力チャージ時間：１６４７μ秒、パルス出力時間：２０μ秒）の条件にて高出力パルスに変換を行い、この電力をカソードに出力して成膜を行った。

また、マグネトロンスパッタリング装置を用いた場合（以下、通常スパッタと記す）は、金属成分のスパッタリング源である原子比率でＴｉ_５０Ａｌ_５０の合金製ターゲット、ならびにスパッタガスとしてアルゴンガス、反応ガスである窒素ガスを選択し、被覆基体温度５００℃、アルゴンガス流量を５００ｍｌｎの条件にて装置内に導入し、装置内の圧力が６００ｍＰａになるように窒素ガス導入量にて制御を行い、コーティング時の被覆基体へのバイアス電圧を変化させカソード電源出力が４ｋＷの条件で成膜を行った。

表１に示す成膜条件にて、それぞれ合計３μｍの厚みになるように硬質皮膜を被覆し、本発明例および比較例の硬質皮膜を作製した。なお、本発明の５，６については、基体と本発明の硬質皮膜（表１のＡ層）との間には、密着性を向上させるための下地層を成膜している。

表１に記載の、硬質皮膜Ａ層のＡｒ含有量については、電界放出型電子プローブマイクロアナライザー（日本電子製、ＪＸＡ−８５００Ｆ、以下、ＦＥ−ＥＰＭＡと記す。）を用いて測定を行った。
硬質皮膜を被覆した超硬合金チップをナナメ５°の角度でラップ加工を行い、試料の皮膜断面のチップの端部より１００μｍ中心部寄りの、超硬合金素材−硬質皮膜表面の中央部について、加速電圧５ｋＶ、ビーム径１μｍの条件にて３回測定を行い、平均値を測定値として、Ａｒの計算強度を用いて定量分析を行った。
硬質皮膜Ａ層の結晶配向および（２００）面格子定数については、Ｘ線回折装置（リガク製、ＲＴＰ―３００、以下ＸＲＤと記す。）により測定した。各相のＸＲＤによる測定条件は、Ｃｕターゲットを装着した回転対陰極式Ｘ線発生装置を用い、フィルター材はＮｉ、電圧電流は５０ｋＶ−１６０ｍＡ、走査速度は０．０２度／秒とした。ＴｉＮのＪＣＰＤＳカードを用い、（１１１）面２θ＝３６．６６２度、（２００）面２θ＝４２．５６９度付近に存在するピークより、各格子面の同定を行い、その強度を測定することによって最強ピークを示す格子面を確認した。さらに、（２００）面の角度より格子定数を計算した。

得られた硬質皮膜被覆エンドミルを用いて切削試験を行った。切削条件は、平面切削ダウンカット、被削材ＳＫＤ１１（硬さＨＲＣ６１）、切り込みＡｄ０．２ｍｍ×Ｒｄ０．２ｍｍ、切削速度１２６ｍ／ｍｉｎ、送り０．１２５ｍｍ／刃、エアーブロー使用、とした。工具寿命は、エンドミルの刃先の逃げ面摩耗量が１００μｍに到達した時点として、その時の切削距離を工具寿命として表２に記載する。

表１および表２より、本発明の実施例１〜６は、本発明の比較例７〜１２に対して２倍以上の工具寿命を示した。本発明例２〜６において、（２００）面の格子定数が０．４２０ｎｍ以上であり、（２００）面の格子定数が０．４２０ｎｍ未満である本発明例１に対して１．３倍以上のさらに優れた切削寿命を示した。
比較例７、８は最強のピークを示す結晶面が（２００）面であるが、Ａｒ含有量が本発明の規定値未満であるため、３０ｍ程度の短寿命しか示さなかった。反対に、Ａｒ含有量が本発明の規定値を超えて多くなった本比較例９、１０についても、２０ｍ以下の短寿命しか示さなかった。
比較例１１、１２はＡｒ含有量が本発明の範囲内であるのに対して、最強ピークを示す結晶面が（１１１）面であるため、２０ｍ以下の短寿命しか示さなかった。

本発明は、切削加工用のドリル、エンドミル、フライス加工用インサート等の工具の用途の他には、プレス成形、切断、鍛造（含むコイニング、スウェージング）、鋳造・ダイキャスト、粉末成形、射出成形等の用途にも適用できる。

Claims

工具基材の表面にＴｉＡｌ系の窒化物でなる硬質皮膜を被覆した被覆工具であって、該硬質皮膜は、０．５〜１．０原子％のＡｒを含有し、且つ、Ｘ線回折における結晶の（２００）面のピーク強度が最大であることを特徴とする耐摩耗性に優れた被覆工具。
硬質皮膜は、（２００）面の格子定数が０．４２０ｎｍ以上の結晶構造を有することを特徴とする請求項１に記載の耐摩耗性に優れた被覆工具。