JP2012213852A - 被膜付き切削工具の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被膜内部および被膜表面のマクロ粒子を減少させて、被膜の穴、ボイド、ポアの量を低減することで、クレーター摩耗、逃げ面摩耗、フリッティングを低減し、かつ、フリッティングやスポーリングを生じないで厚いＰＶＤ被膜を堆積させることができる、被膜付き切削工具の製造方法を提供する。
【解決手段】基材を用意する工程と、該基材上に陰極アーク蒸発ＰＶＤ堆積法で被膜を堆積させる工程とを含み、該被膜は窒化物、酸化物、硼化物、炭化物、炭窒化物、炭酸窒化物またはこれらの組合せである、被膜付き切削工具を製造する方法において、
上記堆積工程において、該被膜に別個の中間イオンエッチングを１回以上施す。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＰＶＤ被膜を堆積工程を含みＰＶＤ被膜付き切削工具を作製する方法に関し、該被膜に堆積途中でイオンエッチングを１回以上施す方法に関する。本発明により作製した切削工具は、表面欠陥が低減して平滑度が向上したＰＶＤ被膜によって工具寿命が延長している。

今日、ほとんどの切削工具はＰＶＤやＣＶＤによってＴｉ（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＮ，（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ、またはＡｌ_２Ｏ_３のような被膜を被覆されている。ＰＶＤ被膜は一般にＣＶＤ被膜に比べて薄く、靭性を必要とするフライス加工のような用途に用いられることが多い。ＰＶＤ被膜はＣＶＤ被膜と比較して幾つかの点で優れた特性を有し、例えば、圧縮応力に耐え、被膜が細粒組織であり、荷重変動に耐える能力が高い。ただし、アーク堆積したＰＶＤ被膜のほとんどは、金属質のマクロ粒子が存在し、これらはマクロスまたはドロップレットとも呼ばれ、被膜の表面または内部に小さい球体として存在する。被膜の堆積中に、これらのマクロ粒子は流入する金属イオン流を遮蔽するため、マクロ粒子の直近周辺で被膜にボイドが生ずる。マクロ粒子上へは被膜が付着し難いため、マクロ粒子は堆積プロセス中またはその直後または機械加工中にも脱落する。その結果、被膜の品質が劣化して、ボイドやポアが生じたり、最悪の場合には基材にまで達する穴が生じる。

マクロ粒子の存在する被膜を例えばフライス加工に用いると、切屑が隆起したマクロ粒子と機械的および／または化学的に相互作用をする虞がある。切屑が切削工具表面を流れる際に被膜の一部が裂け、被膜中に穴またはポアが残る。このポアまたはボイドは亀裂の起点となる。刃先に亀裂が存在すると刃先の欠けや切削工具の破壊が起きる。イオンエッチングはどのような堆積方法に際しても最初に行なう共通した処理である。すなわち、通常、基材に堆積処理を行う前に、イオンエッチングを施して表面の汚れや、基材自身の酸化物や窒化物を除去する。

特許文献1（アメリカ合衆国特許第5,033,734号）には、金属基材表面にＰＶＤ被膜を堆積させる前に種々のエッチング処理を施すことが記載されている。このエッチングは、Ｃｒイオンおよび／またはＭｏイオンを用いて行なう金属エッチングプロセスである。

しかし、中間工程としてイオンエッチングを試みているのはごく僅かしかない。

特許文献２（欧州特許出願公開EP0756019）には、パンチに用いる材料変形用工具ためのＰＶＤ被膜を作製する方法が記載されている。（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｙ）Ｎまたは（Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｒ）Ｎまたはこれらの積層構造から成るＰＶＤ層を堆積させている。次いで、表面を機械的に処理（例えばサンドブラストや金属イオンエッチング）することによりドロップレットを除去して表面を平滑にする。次いで、ＭｏＳ_２から成る２層目の低摩擦ＰＶＤ被膜を堆積する。

特許文献３（欧州特許出願公開EP1533210）には、ＰＶＤαＡｌ_２Ｏ_３を堆積させる方法が記載されている。先ず基材に第一の硬質被膜を被覆し、次いでアルゴンイオンまたは金属イオンを照射する。イオン照射後の表面に酸化処理を施して表面酸化層を形成する。この表面酸化層上に、上記αＡｌ_２Ｏ_３であるＡｌ_２Ｏ_３層を堆積する。

アメリカ合衆国特許第5,033,734号 欧州特許出願公開EP0756019 欧州特許出願公開EP1533210

本発明は、被膜内部および被膜表面のマクロ粒子を減少させて、被膜の穴、ボイド、ポアの量を低減できる、被膜付き切削工具の製造方法を提供することを目的とする。

本発明のもう1つの目的は、クレーター摩耗、逃げ面摩耗、フリッティングを低減し、工具寿命を向上させた被膜付き切削工具の製造方法を提供することである。

本発明のもう1つの目的は、フリッティングやスポーリングを生じないで厚いＰＶＤ被膜を堆積させることができる、被膜付き切削工具の製造方法を提供することである。

上記の目的を達成するために、本発明によれば、基材を用意する工程と、該基材上に陰極アーク蒸発ＰＶＤ堆積法で被膜を堆積させる工程とを含み、該被膜は窒化物、酸化物、硼化物、炭化物、炭窒化物、炭酸窒化物またはこれらの組合せである、被膜付き切削工具を製造する方法において、
上記堆積工程において、該被膜に別個の中間イオンエッチングを１回以上施すことを特徴とする被膜付き切削工具の製造方法が提供される。

本発明の方法によれば、マクロ粒子の量が低減して平滑度が向上した被膜が得られ、前述の各目的が達成される。

従来技術によって堆積したＰＶＤ（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ被膜の研磨断面。 本発明によって堆積した被膜の研磨断面。 図２の皮膜の拡大像。 図１の被膜のＦＥＧＳＥＭ像。 図２の皮膜のＦＥＧＳＥＭ像。 マクロ粒子が被膜内に埋め込まれ新たな被覆層で覆われた状態のＴＥＭ明視野像。

本発明は、基材を用意する工程と、該基材上に陰極アーク蒸発ＰＶＤ堆積法で被膜を堆積させる工程とを含み、該被膜は窒化物、酸化物、硼化物、炭化物、炭窒化物、炭酸窒化物またはこれらの組合せである、被膜付き切削工具を製造する方法において、
上記堆積工程において、該被膜に別個の中間イオンエッチングを１回以上施すことを特徴とする被膜付き切削工具の製造方法に関する。イオンエッチングは堆積チャンバを利用して行なう。

イオンエッチングは別個の中間工程としてイオン照射によって行なう、すなわち、堆積処理は停止してイオンエッチングを行ない、イオンエッチング後に堆積処理を再開させる、つまり、イオンエッチング工程と堆積工程とは交互に行なう。用いるイオン種はアルゴンイオンでも良いし、金属イオンでも良い。イオンエッチングによって、被膜の隆起部分が除去され、同時に、被膜本体との密着性が低い被覆材料例えばマクロ粒子も除去される。この方法によって、表面欠陥いわゆるマクロ粒子の分量が低減した平滑なＰＶＤ被膜が得られる。

イオンエッチングを行なう温度は、ＰＶＤ被膜を堆積させるのに適した温度であればよいが、４５０〜６００℃が望ましい。エッチング中の圧力は１〜５μbarが望ましく、１〜３μbarが更に望ましい。

本発明の一実施形態においては、アルゴンイオンを用いる。アルゴンイオンを得るには、アルゴンガスを充填した堆積チャンバ内でプラズマを発生させる。発生したアルゴンイオンを加速して、負電位（望ましくは８０〜２５０Ｖ、より望ましくは１００〜２００Ｖ）に保持した基材に照射する。

本発明の別の実施形態においては、金属イオンを用いる。金属イオンを得るには、減圧した堆積チャンバ内のエッチングターゲットにプラズマを発生させる。これにより発生した濃密な金属イオン蒸気を加速して、高い負電位（望ましくは１５０〜１５００Ｖ、より望ましくは２００〜１０００Ｖ）に保持した基材に照射する。金属イオンとしては、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏのうちの１種以上が望ましく、ＣｒまたはＭｏがより望ましい。

本発明の一実施形態においては、イオンエッチング工程は中間工程であり、すなわち、イオンエッチング工程は堆積工程と交互に行なう。エッチング中には堆積は行なわない。イオンエッチングを中間工程として行ない、この操作を複数回繰返すことにより、マクロ粒子が一部または全部除去され、その後に残されるボイドは、次の堆積段階で新たな被覆材料によって充填される。これにより、深くて大きいポアが効果的に回避され、表面欠陥の少ない緻密で均質な被膜が得られる。

本発明の別の実施形態においては、ＰＶＤ被膜の堆積を完了した後に、最終工程として追加のイオンエッチング工程を行なう。これによりＰＶＤ被膜表面の平滑度が高まる。

堆積されるＰＶＤ被膜の組成は切削工具に適した組成であれば良く、窒化物、酸化物、硼化物、炭化物、炭窒化物、炭酸窒化物またはこれらの組合せであって良い。望ましくは、この被膜は、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ、ＴｉＮ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ、ＣｒＮ、ＡｌＯ、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ、ＴｉＢＮ、ＴｉＢ、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｘ）ＮただしＸはＳｉ、Ｂ、Ｃ、Ｔａ、Ｖ、Ｙ、Ｃｒ、Ｈｆ、Ｚｒのうちの１種以上から成る１層以上から成り、より望ましくは（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ、ＴｉＢＮ、（Ｔｉ，Ａｌ、Ｘ）ＮただしＸは上記のとおりのうちの１種以上から成る１層以上から成り、最も望ましくは（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎから成る１層以上から成る。

本発明に用いるＰＶＤ被膜は、均質構造であっても良いし多層構造であってもよい。イオンエッチングは、均質組成の単一層内で複数回行ってもよいし、個々の堆積層は均質であるが組成が異なる多層堆積構造の各堆積工程間で行なう複数回であってもよいし、多層堆積構造の間に行なう複数回であってもよいし、これらの組合せであってもよい。多層堆積被膜は少なくとも５層、望ましくは１０層以上の堆積層から成る。しかし、数千層であってもよい。

本発明の方法で行なうイオンエッチング工程は、ほとんどのＰＶＤ法に適用できるが、マクロ粒子が最も顕著な陰極アーク蒸着法が特に対象となる。

本発明の方法によれば、従来のＰＶＤ被膜よりも厚く堆積することができるので、ＰＶＤ被膜の厚さの範囲は広い。被膜厚さは０．１〜１０μｍ、望ましくは０．５〜６μｍ、最も望ましくは１〜５μｍである。

本発明の基材は、望ましくは切削工具インサート、またはドリル、エンドミルのような丸い工具である。基材の材質は、超硬合金、サーメット、セラミックス、立方晶窒化硼素または高速度鋼であることが望ましい。

本発明は更に、本発明の方法により作製された切削工具に関する。

本発明により作製された切削工具はマクロ粒子の量が低減したため被膜の平滑度が向上している。被膜が平滑であることによって多くの利点が得られる。例えば、切削工具表面を切屑が容易に流れ、被膜との相互作用が少ないのでスポーリングの虞が低い。更に、低温のためクレーター摩耗抵抗が増加し、構成刃先、切り欠き摩耗、刃先のフリッティングおよび亀裂の危険性が低下するし、また、切屑の絡まりとそれによる工具破損の危険性も低下する。被膜の平滑度が高まれば摩滅が少なくなり、厚い被膜の密着性の問題も無くなる。

平滑な被膜は更に、ワークに工具が出入りする際の衝撃荷重を伴う旋削時の間歇切削に好都合である。この場合、平滑な被膜によって壊滅的な破壊の危険が著しく低減する。

〔実施例１〕
加工タイプ（旋削、フライスなど）に応じた種々の形状（ＣＮＭＧ１２０４０８−ＭＭ、Ｒ２９０−１２Ｔ３０８Ｍ−ＫＭ、Ｒ３９０−１１Ｔ０３０８Ｍ−ＰＭ）の超硬合金インサートに標準的なＴｉ_０．３３Ａｌ_０．６７Ｎ被膜を被覆した。被膜の堆積はＮ_２雰囲気中で陰極アーク蒸発法により行ない、インサートは３重回転式基材テーブル上に載置した。２対のＴｉ_０．３３Ａｌ_０．６７ターゲットを用いて（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ被膜を堆積させた。

インサートＡは、従来技術により、逃げ面中央で測定して厚さ４μｍの層を堆積させた。

インサートＢは、本発明により被覆を行なった。インサートＡと同じ堆積条件を用いたが、ただし、厚さ０．７〜０．８μｍに堆積を行なってから、堆積を停止し、反応チャンバにアルゴンガスを充填した。インサートに負電位を印加し、プラズマを発生させ、インサートにアルゴンイオンを照射した。イオン照射後に、堆積を再開し、新たなＴｉ_０．３３Ａｌ_０．６７Ｎ層を堆積させた。この操作を６回繰返して、合計被膜厚さを４μｍにした。最終工程として、堆積サイクル終止前に、インサートにイオン照射による表面処理を施し、そしてチャンバを開放した。

図１に、インサートＡの被膜断面のＳＥＭ写真を示す。ドロップレットが脱落した後にポアが存在し、基材上には非常に薄い被膜層が残されている。図２、３に、インサートＢの被膜断面のＳＥＭ写真を示す。図２から、表面のポアやボイドが少なく平滑度が高いことが分かる。多少のマクロ粒子が被膜中に埋め込まれて残ってはいるが、その周囲にボイドが無く強固に固定されている。図３は図２の拡大写真であり、被膜中に細い線が何本か認められる。これはイオン照射処理によるものである。イオンはＡｌのような軽い元素が優先的にエッチング除去され、後にＴｉ濃化領域が残る。図４、５はそれぞれ図１、２の被膜のＦＥＧＳＥＭ像である。

〔実施例２〕
実施例１のインサートと同様に、立方晶窒化硼素インサートに被膜を施した。ただし、実施例１とは異なり、２対のＴｉターゲットを用いて均質なＴｉＮ被膜を堆積させた。インサートＣには、従来技術により、逃げ面中央で測定して被膜厚さ４μｍに堆積させた。インサートＤには、本発明により、これと同様の被膜堆積を行なったが、堆積後に、チャンバにアルゴンを充填し、プラズマを発生させ、アルゴンイオン照射を行なった。

〔実施例３〕
超硬合金製フライス用インサート（形状：ＣＮＭＧ１２０４０８−ＭＭ）に（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎの非周期多層構造被膜を堆積させた。この堆積は、Ｎ２雰囲気中で陰極アーク蒸発を行ない、非周期構造を得るために配列した３重回転式基材テーブル上にインサートを載置して行なった。多層構造被膜の堆積は、２対のＴｉ_０．３３Ａｌ_０．６７ターゲットと１対のＴｉターゲットとを同時に用いて行なった。インサートＥは、従来技術によって被覆して、すくい面の中央で測定して厚さ４μｍの被膜を形成した。

インサートＦは本発明によって堆積させた。すなわち、厚さ１．５μｍの層を堆積させた時点で堆積を停止し、チャンバ内にアルゴンを充填した。インサートに負電位を印加した。プラズマを発生させ、インサートにアルゴンイオンを照射した。イオン照射後に、堆積を再開し、更に１．５μｍを堆積させ、再度イオンエッチングを行ない、そして被膜の残分を堆積させた。最終工程として、堆積サイクルの終了前に、インサートに再度イオン照射することによって表面処理を行い、そしてチャンバを開放した。合計被膜厚さは４μｍであった。

＜実施例４〜８の説明＞
下記の表現／用語は金属の切削加工に共通して用いるものである。

Ｖ_ｃ（ｍ／ｍｉｎ） 切削速度
ｆ_ｚ（ｍｍ／歯） １歯当りの送り速度
ｚ（個数） カッターの歯数
ａ_ｃ（ｍｍ） 半径方向の切り込み深さ
ａ_ｐ（ｍｍ） 軸方向の切り込み深さ
Ｄ（ｍｍ） カッターの直径
〔実施例４〕
実施例１で作製した形状ＣＮＭＧ１２０４０８−ＭＭのインサートＡ（従来技術）およびインサートＢ（本発明）を下記切削条件の旋削加工で試験した。

ワーク材質： 硬質鋼（ovako８２５Ｂ）
Ｖ_ｃ １１０ｍ／ｍｉｎ
ｆ_ｚ ０．３ｍｍ／回転
ａ ２ｍｍ
冷却剤 エマルジョン
逃げ面摩耗が０．３ｍｍを超えたとき、またはインサートが破壊したときを工具寿命とした。工具寿命は、インサートＡ（従来技術）が１５分、インサートＢ（本発明）が２１分であった。

〔実施例５〕
実施例１で作製した形状Ｒ２９０−１２Ｔ３０８Ｍ−ＫＭのインサートＡ（従来技術）およびインサートＢ（本発明）をフライス加工で試験した。

ワーク材質 ＣＧＩ（コンパクトグラファイト鉄）Ｓｉｎｔｅｒｃａｓｔ
Ｖ_ｃ ３００ｍ／ｍｉｎ
ｆ_ｚ ０．１５ｍｍ／歯
ａ_ｃ ５０ｍｍ
ａ_ｐ ３ｍｍ
ｚ ３
Ｄ ６３ｍｍ
注 乾式
工具寿命は、インサートＡ（従来技術）が３２分に過ぎず、これに対してインサートＢ（本発明）は４５分であった。工具寿命を延ばした摩耗形態の決定的な差は、フリッティングが少ないことであった。

〔実施例６〕
実施例１により被覆した形状Ｒ３９０−１１Ｔ０３０８Ｍ−ＰＭのインサートＡ（従来技術）およびインサートＢ（本発明）を下記条件のフライス加工で試験した。

ワーク材質 低合金鋼ＳＳ２２４４
Ｖ_ｃ １５０ｍ／ｍｉｎ
ｆ_ｚ ０．１５ｍｍ／歯
ａ_ｃ ２５ｍｍ
ａ_ｐ ３ｍｍ
ｚ ２
Ｄ ２５ｍｍ
注 冷却剤：エマルジョン
逃げ面摩耗が０．２ｍｍを超えたとき、または、フリッティングが０．３ｍｍを超えたときを工具寿命とした。

工具寿命は、インサートＡ（従来技術）が３０分、これに対してインサートＢ（本発明）が３７分であった。

切削速度をＶ_ｃ＝２００ｍ／ｍｉｎに高くすると、インサートＡ（従来技術）は２０分、これに対してインサートＢ（本発明）は２５分であった。

工具寿命を延ばした摩耗形態の決定的な差は、刃先ラインの欠けが少なく、かつ、逃げ面摩耗が少なかったことである。興味深い点として、インサートＢ（本発明）は摩耗がゆっくりかつ定常的に進行したのに対して、インサートＡ（従来技術）は壊滅的な破壊が起きたことである。

〔実施例７〕
形状ＣＮＧＡ１２０４０８Ｔ０１０３０ＡＷＨの立方晶窒化硼素のインサートＣ（従来技術）およびインサートＤ（本発明）を旋削で試験した。試験材はリング形状であり、ジャック部が１０ｍｍで、入りおよび出の角度が９０°である。各切削について送り速度を０．２０ｍｍ／回転から０．０２ｍｍ／回転の刻みで段階的に増加させた。

ワーク材質： 低合金鋼ＳＳ２２５８、ＨＲＣ５６
工具ホルダ Ｃ５−ＤＣＬＮＬ−３５０６０−１２
Ｖ_ｃ １２０ｍ／ｍｉｎ
Ｆ_ｎ Ａ_ｐ
Ａｐ 初期０．２０ｍｍ／回転、各切断当り０．０２ｍｍ／回転で 段階的に増加
注 乾式
インサートが破損したときを工具寿命とした。

インサートＣ（従来技術）は送り速度０．３４ｍｍ／回転でインサートが破損したのに対して、インサートＤ（本発明）は送り速度０．５０ｍｍ／回転でも破損しなかった。

〔実施例８〕
実施例３で作製した形状ＣＮＭＧ１２０４０８−ＭＭのインサートＥ（従来技術）およびインサートＦ（本発明）を下記の条件にて旋削で試験した。

ワーク材質 硬質鋼ovako８２５
Ｖ_ｃ １６０ｍ／ｍｉｎ
ｆ_ｚ ０．３ｍｍ／歯
ａ ２ｍｍ
冷却剤 エマルジョン
逃げ面摩耗が０．４５ｍｍを超えたとき、または、インサートが破損したときを工具寿命とした。工具寿命は、インサートＥ（従来技術）が１７分であり、これに対してインサートＦ（本発明）が２１分であった。工具寿命を延ばした決定的な摩耗形態の差は、クレーター摩耗が少なかったことである。

Claims (11)

1. 基材を用意する工程と、該基材上に陰極アーク蒸発ＰＶＤ堆積法で被膜を堆積させる工程とを含み、該被膜は窒化物、酸化物、硼化物、炭化物、炭窒化物、炭酸窒化物またはこれらの組合せである、被膜付き切削工具を製造する方法において、
   上記堆積工程において、該被膜に別個の中間イオンエッチングを複数回施し、該堆積と該エッチングとを交互に行うことを特徴とする被膜付き切削工具の製造方法。
2. 請求項１において、上記イオンエッチングをアルゴンイオンで行なうことを特徴とする方法。
3. 請求項１において、上記イオンエッチングを金属イオンで行なうことを特徴とする方法。
4. 請求項３において、上記イオンエッチングをＴｉ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏのイオンのうちの１種以上で行なうことを特徴とする方法。
5. 請求項４において、上記イオンエッチングをＣｒイオンおよびＭｏイオンの１種以上で行なうことを特徴とする方法。
6. 請求項１から５までのいずれか１項において、上記被膜の最後のイオンエッチングを、該被膜の堆積が完了した後に行なうことを特徴とする方法。
7. 請求項１から６までのいずれか１項において、上記ＰＶＤ被膜が、
   （Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ、
   ＴｉＮ、
   Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、
   （Ａｌ、Ｃｒ）Ｎ、
   ＣｒＮ、
   ＡｌＯ、
   （Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ、
   ＴｉＢ、および
   （Ｔｉ，Ａｌ，Ｘ）Ｎ、ただしＸはＳｉ，Ｂ，Ｃ，Ｔａ，Ｖ，Ｙ，Ｃｒ，Ｈｆ，Ｚｒのうちの１種以上、
   のうちの１種以上の１層以上を含むことを特徴とする方法。
8. 請求項１から７までのいずれか１項において、上記ＰＶＤ被膜が、
   （Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ、
   ＴｉＮ、
   Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、
   ＴｉＢＮ、および
   （Ｔｉ，Ａｌ，Ｘ）Ｎ、ただしＸはＳｉ、Ｂ、Ｃ、Ｔａ、Ｖ、Ｙ、Ｃｒ、Ｈｆ、Ｚｒのうちの１種以上
   のうちの１種以上の１層以上を含むことを特徴とする方法。
9. 請求項１から８までのいずれか１項において、上記ＰＶＤ被膜が（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎの１層以上を含むことを特徴とする方法。
10. 請求項１から９までのいずれか１項において、上記基材が、超硬合金、サーメット、セラミックス、立方晶窒化硼素または高速度鋼のいずれかで作製されていることを特徴とする方法。
11. 請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法により作製された被膜付き切削工具。