JP2012081548A

JP2012081548A - 表面被覆切削工具

Info

Publication number: JP2012081548A
Application number: JP2010229225A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Kazami; 大介風見
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2010-10-12
Filing date: 2010-10-12
Publication date: 2012-04-26

Abstract

【課題】高硬度鋼などを切削する場合において、硬質被覆層がすぐれた潤滑性と耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具を提供する。
【解決手段】ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットで構成された工具基体の表面に、硬質被覆層として、立方晶構造のＮｂＮと六方晶構造のＮｂＮの交互積層構造からなり、かつ、該交互積層構造について電子線回折分析により、各層を判別したとき、全膜中の六方晶構造のＮｂＮの割合が６０〜８５％であることを特徴とする表面被覆切削工具。
【選択図】図１

Description

本発明は、軸受鋼、合金工具鋼、浸炭焼入れ鋼等の高硬度被削材を、高熱発生を伴い、かつ、切刃に高負荷が作用する高送り、高切込みの高速切削条件で加工した場合にも、硬質被覆層がすぐれた潤滑性と高硬度を有し、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具（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や平削り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スローアウエイチップ、前記被削材の穴あけ切削加工などに用いられるドリルやミニチュアドリル、さらに前記被削材の面削加工や溝加工、肩加工などに用いられるソリッドタイプのエンドミルなどがあり、また前記スローアウエイチップを着脱自在に取り付けて前記ソリッドタイプのエンドミルと同様に切削加工を行うスローアウエイエンドミル工具などが知られている。

具体的な被覆工具としては、例えば、炭化タングステン基（以下、ＷＣ基で示す）超硬合金または炭窒化チタン基（以下、ＴｉＣＮ基で示す）サーメット等で構成された工具基体の表面に硬質皮膜を蒸着形成し、被覆工具の耐摩耗性、工具寿命の改善を図ったものが一般的に知られている。
例えば、特許文献１に示すように、工具基体表面に、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＮｂＮ、ＴａＮ、ＭｏＮ、ＷＮからなる一種以上の固体潤滑膜を形成し、この固体潤滑膜と硬質皮膜との組み合わせにより、耐凝着性を高めた被覆工具が知られている。
また、特許文献２に示すように、工具基体表面に、ｈ− [（Ｖ，Ｃｒ，Ｎｂ，Ｔａ）_ａ（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ａｌ，Ｓｉ）_１−ａ]（Ｎ，Ｃ，Ｏ，Ｂ）_ｂで表した場合、０．５≦ｂ≦１．０でかつ六方晶構造を有する硬質被覆層を形成することにより、耐摩耗性を改善した被覆工具が知られている。
また、特許文献３に示されるように、硬質被覆層をＸ線回折により測定した場合、六方晶構造の窒化ニオブの（１０３）面からの回折ピーク強度と六方晶構造の窒化ニオブの（１１０）面からの回折ピーク強度の合計量「Ｉｈ」と、立方晶構造の窒化ニオブの（２２０）面からの回折ピーク強度「Ｉｃ」との比の値Ｉｈ／Ｉｃを２．０以下とすることにより、Ｔｉ合金の切削加工に適した被覆工具が提供されることが記載されている。

特開２００１−１７９５３３号公報特開２００６−３１２２３５号公報国際公開第２００９／０３５３９６号パンフレット

近年の切削加工装置のＦＡ化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴って切削加工は一段と高効率化する傾向にあるが、前記従来被覆工具においては、これを通常条件での切削加工に用いた場合には問題はないが、これを特に、軸受鋼、合金工具鋼、浸炭焼入れ鋼等の高硬度被削材を、高熱発生を伴い、かつ、切刃に高負荷が作用する高送り、高切込みの高速切削条件で加工した場合には、切削時に発生する高熱によって硬質被覆膜が過熱されることにより、高温硬さの低下が生じるとともに、潤滑性が不足し、その結果、耐摩耗性の低下が避けられず、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。

そこで、本発明者らは、前述のような観点から、高熱を発生し、かつ、切刃に対して高負荷が作用する高速切削条件で用いた場合にも、硬質被覆層がすぐれた潤滑性と耐摩耗性を発揮する被覆工具を開発すべく、前記従来被覆工具に着目し研究を行った結果、以下の知見を得た。

（イ）被覆工具の硬質被覆層を窒化ニオブで構成した場合、窒化ニオブからなる硬質被覆層は、高硬度および高靭性を備え、かつ、化学的安定性にも優れることが一般的に知られているが、高硬度被削材を、高熱発生を伴うとともに切刃に高負荷が作用する高速切削条件で用いた場合には、その硬度、靭性は十分であるとはいえない。
そこで、本発明者らは、窒化ニオブが有する複数の化合物形態、複数の結晶構造について詳細に検討したところ、特定の結晶構造からなる窒化ニオブが、特定の割合で積層した交互積層構造からなる窒化ニオブ層は、一段と優れた高温硬さと高靭性を備え、かつ、高温条件下での高硬度被削材との潤滑性に優れることを見出したのである。

（ロ）即ち、窒化ニオブには、その化合物形態、結晶構造として、β−Ｎｂ２Ｎ（六方晶），γ−Ｎｂ４Ｎ３（正方晶），δ−ＮｂＮ（立方晶），δ’−ＮｂＮ（六方晶），ε−ＮｂＮ（六方晶），η−ＮｂＮ（六方晶）などがあるが、アークイオンプレーティングにより窒化ニオブを成膜するにあたり、例えば、窒素圧力を９．３Ｐａとした条件でバイアス電圧を付加し成膜したところ、図１に示すように、バイアス電圧が０〜−６０Ｖでは、立方晶構造の窒化ニオブ（以下、これをｃ−ＮｂＮで示す）が優先的に成膜されるが、バイアス電圧を高くし、−７０Ｖ以上のバイアス電圧範囲で成膜したところ、六方晶構造の窒化ニオブ（以下、これをｈ−ＮｂＮで示す）が優先的に成膜されるようになり、硬質被覆層としては、ｃ−ＮｂＮとｈ−ＮｂＮの交互積層構造からなる窒化ニオブが成膜された。
なお、前記成膜したｃ−ＮｂＮとｈ−ＮｂＮについての結晶構造は、例えば、Ｋα照射によるＸ線回折を行い、その回折ピーク強度位置によって確認することができる。

（ハ）さらに、本発明者らは、バイアス電圧を適正範囲に維持してアークイオンプレーティングで窒化ニオブ層を成膜した場合に、硬質被覆層はｃ−ＮｂＮとｈ−ＮｂＮが存在する交互積層構造となり、そして、所定比率の交互積層構造からなる窒化ニオブによって硬質被覆層を構成した場合には、高硬度鋼などを切削した場合であっても、硬質被覆層がすぐれた潤滑性と耐摩耗性を発揮することを見出したのである。

本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成された工具基体の表面に、硬質被覆層が蒸着形成された表面被覆切削工具において、
前記硬質被覆層が、立方晶構造の窒化ニオブと六方晶構造の窒化ニオブの交互積層構造として構成され、かつ、該交互積層構造を構成する１層の目標一層平均層厚が０．１２〜０．６５μｍであるとともに全層の目標平均層厚が１．０〜８．０μｍであり、
さらに、全膜厚中の六方晶構造の窒化ニオブの割合が６０〜８５％であ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。

つぎに、本発明の被覆工具の硬質被覆層について説明する。

本発明の硬質被覆層は、ｃ−ＮｂＮ（立方晶構造の窒化ニオブ）とｈ−ＮｂＮ（六方晶構造の窒化ニオブ）の交互積層構造として構成するが、このような交互積層構造からなる硬質被覆層は、例えば、以下の条件のアークイオンプレーティングによって形成することができる。

成膜条件：
カソード電極：金属Ｎｂ
反応ガス：Ｎ_２、
反応ガス圧力：１．０〜３０Ｐａ、
バイアス電圧：−５〜−５００Ｖ、
図１から明らかなように、窒化ニオブ層の結晶性は、前記アークプレーティング法における成膜条件の内のバイアス電圧によって変化大きく影響される。
そして、バイアス電圧が−２０Ｖ未満の場合には、ｃ−ＮｂＮの形成割合が高くｈ−ＮｂＮの形成が少ないため、ｃ−ＮｂＮのみの相となるが、ｃ−ＮｂＮ単相では硬質被覆層の硬さを低下させ、耐摩耗性が劣化傾向を示すようになる。
一方、バイアス電圧が−３００Ｖを超えると、優先的にｈ−ＮｂＮが形成され、ｃ−ＮｂＮの形成割合が低下するため、ｈ−ＮｂＮのみの相となるが、ｈ−ＮｂＮ単相では硬質被覆層の硬さは増加するものの、半面、硬質被覆層の靭性の低下が生じるため、チッピングが発生しやすくなる。
したがって、本発明では、バイアス電圧を−２０Ｖ未満と−３００Ｖ以上で周期的に変化させることによって、ｃ−ＮｂＮ単相とｈ−ＮｂＮ単相とを交互に作り、交互積層構造の硬質被覆層を形成した。

本発明では、立方晶と六方晶の各々の結晶構造の単層膜を積層することによって、それらの配合割合の操作がしやすく、目的とする配合割合の被膜を成膜しやすい。また、硬質膜と潤滑膜を交互積層することで、被膜硬度・靭性が向上する。そのため、従来の単層膜よりも各被削材切削において高速・高送り切削が可能である。

なお、ｃ−ＮｂＮとｈ−ＮｂＮとの交互積層構造からなる本発明の硬質被覆層は、その目標一層平均層厚が０．１２μｍ未満では、自身の持つすぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するには不十分であり、一方、その目標一層平均層厚が０．６５μｍを越えると、前記高速・高送り切削では、耐溶着性の不足が顕在化し、切刃部にチッピングが発生し易くなることから、その目標一層平均層厚を０．１２〜０．６５μｍと定めた。また、全層の目標平均層厚が１．０μｍ未満では、長期に亘ってすぐれた潤滑性、耐摩耗性を発揮することができず、工具寿命が短命化し、一方、その目標平均層厚が８．０μｍを超えるとチッピングを発生しやすくなることから、目標平均層厚は１．０〜８．０μｍとすることが望ましい。

本発明の被覆工具は、硬質被覆層を、立方晶構造の窒化ニオブ（ｃ−ＮｂＮ）と六方晶構造の窒化ニオブ（ｈ−ＮｂＮ）の交互積層構造として構成し、かつ、皮膜断面の電子線回折分析により各層を判別した時、全膜中のｈ−ＮｂＮの割合を６０〜８５％とすることにより、高硬度鋼を切削加工した場合でも、硬質被覆層がすぐれた潤滑性と耐摩耗性を発揮することによって、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を維持するものである。

アークイオンプレーティングにおいて、バイアス電圧とＸ線回折ピーク強度の関係を示す。

つぎに、本発明の被覆工具を実施例により具体的に説明する。

原料粉末として、いずれも１〜３μｍの平均粒径を有するＷＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＺｒＣ粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２粉末、ＴｉＮ粉末、ＴａＮ粉末、およびＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を、表１に示される配合組成に配合し、ボールミルで７２時間湿式混合し、乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を６Ｐａの真空中、温度：１４００℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０３のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８のチップ形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ１〜Ａ１０を形成した。

また、原料粉末として、いずれも０．５〜２μｍの平均粒径を有するＴｉＣＮ（質量比で、ＴｉＣ／ＴｉＮ＝５０／５０）粉末、Ｍｏ_２Ｃ粉末、ＺｒＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、およびＮｉ粉末を用意し、これら原料粉末を、表２に示される配合組成に配合し、ボールミルで２４時間湿式混合し、乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を２ｋＰａの窒素雰囲気中、温度：１５００℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０３のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８のチップ形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体Ｂ１〜Ｂ６を形成した。

ついで、前記工具基体Ａ１〜Ａ１０およびＢ１〜Ｂ６のそれぞれを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、アークイオンプレーティング装置の回転テーブル上に装着し、アークイオンプレーティング装置のカソード電極として金属Ｎｂを装着し、また、ボンバード洗浄用カソード電極として金属Ｔｉも装着し、
まず装置内を排気して０．５Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を５００℃に加熱した後、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加して、ボンバード洗浄用カソード電極の金属Ｔｉとアノード電極との間に１００Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、もって工具基体表面をＴｉボンバード洗浄し、
ついで、装置内に反応ガスとして、窒素ガスを導入して表３に示される反応雰囲気とすると共に、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に表３に示される直流バイアス電圧を印加して、金属Ｎｂカソード電極との間に１００Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、表３に示される目標一層平均層厚の立方晶構造の窒化ニオブ（ｃ−ＮｂＮ）層と六方晶構造の窒化ニオブ（ｈ−ＮｂＮ）層とを交互積層構造状に蒸着形成することにより、
ＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０８に規定するスローアウエイチップ形状の本発明被覆工具１〜１６（以下、本発明チップ１〜１６という）をそれぞれ製造した。

比較の目的で、前記工具基体Ａ１〜Ａ１０およびＢ１〜Ｂ６のそれぞれを、本発明と同様な方法でＴｉボンバード洗浄し、
ついで、装置内に反応ガスとして、窒素ガスを導入して表４に示される反応雰囲気とすると共に、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に表４に示される直流バイアス電圧を印加して、金属Ｎｂカソード電極との間に１００Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、表４に示される目標層厚の窒化ニオブ層を蒸着形成することにより、
ＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０８に規定するスローアウエイチップ形状の比較例被覆工具１〜１６（以下、比較例チップ１〜１６という）をそれぞれ製造した。

つぎに、前記本発明チップ１〜１６および比較例チップ１〜１６のそれぞれの硬質被覆層の断面について、電子線回折分析を行い、全膜厚中のｈ−ＮｂＮの割合を求めた。
この算出値を表３、表４に示す。

つぎに、前記各種の被覆チップを、いずれも工具鋼製バイトの先端部に固定治具にてネジ止めした状態で、本発明チップ１〜１６および比較例チップ１〜１６について、
被削材：ＪＩＳ・ＳＫＤ１１（ＨＲＣ６０）の丸棒、
切削速度：１４０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：０．２ｍｍ、
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：３分、
の条件（切削条件Ａ）での焼入れ合金鋼の乾式高速高送り切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、１００ｍ／ｍｉｎ．、０．１ｍｍ／ｒｅｖ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４２０（ＨＲＣ６１）の丸棒、
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：０．２５ｍｍ、
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：４分、
の条件（切削条件Ｂ）での浸炭焼入れ合金鋼の乾式高速高切込み切削加工試験（通常の切削速度および切込みは、それぞれ、１７０ｍ／ｍｉｎ．、０．２ｍｍ）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＪ３（ＨＲＣ６０）の丸棒、
切削速度：２１０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：０．２５ｍｍ、
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：３分、
の条件（切削条件Ｃ）での焼入れ軸受鋼の乾式高速高送り・高切込み切削加工試験（通常の切削速度、送りおよび切込みは、それぞれ、１８０ｍ／ｍｉｎ．、０．１ｍｍ／ｒｅｖ．、０．２ｍｍ）、
を行い、いずれの切削加工試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。この測定結果を表５に示した。

表３〜５に示される結果から、本発明の被覆工具は、軸受鋼、合金工具鋼、浸炭焼入れ鋼等の高硬度被削材を、高熱発生を伴い、かつ、切刃に高負荷が作用する高送り、高切込みの高速切削条件で加工した場合にも、硬質被覆層がすぐれた潤滑性と高硬度を有し、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、比較例被覆工具においては、高硬度鋼などを切削加工した場合、潤滑性、靭性の不足によって、溶着、チッピング等の発生によって、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
なお、被覆チップばかりでなく、被覆エンドミル、被覆ドリルを作成し、同様な切削試験を行ったところ、被覆エンドミル、被覆ドリルについても、被覆チップの場合と同様な結果が得られた。

前述のように、本発明の被覆工具は、一般鋼や普通鋳鉄などの切削加工は勿論のこと、軸受鋼、合金工具鋼、浸炭焼入れ鋼等の高硬度被削材を、高熱発生を伴い、かつ、切刃に高負荷が作用する高送り、高切込みの高速切削条件で加工した場合にも、長期に亘って優れた潤滑性、耐摩耗性を発揮し、優れた切削性能を示すものであるから、切削加工装置のＦＡ化、並びに切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に十分満足に対応できるものである。

Claims

炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成された工具基体の表面に、硬質被覆層が蒸着形成された表面被覆切削工具において、
前記硬質被覆層が、立方晶構造の窒化ニオブと六方晶構造の窒化ニオブの交互積層構造として構成され、かつ、該交互積層構造を構成する１層の目標一層平均層厚が０．１２〜０．６５μｍであるとともに全層の目標平均層厚が１．０〜８．０μｍであり、
さらに、全膜厚中の六方晶構造の窒化ニオブの割合が６０〜８５％であることを特徴とする表面被覆切削工具。