JP2013032578A - ターゲット及び硬質被膜被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】耐摩耗性及び密着性に優れた硬質被膜を形成するためのターゲット、及び、表面がこのような硬質被膜で被覆された硬質被膜被覆切削工具を提供すること。
【解決手段】Ｃｒ_1-x-y-zＡｌ_x[Ｎｉ_1-aＺｒ_a]_yＭ_zで表される組成を有し、相対密度が９５％以上であり、切削工具用硬質被膜を形成するために用いられるターゲット。但し、Ｍは、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｂ、Ｗ及びＶから選ばれる少なくとも１種の元素、０．５≦ｘ≦０．８、０．０１≦ｙ≦０．３５、０≦ｚ≦０．２、０．５１≦ｘ＋ｙ＋ｚ＜１、０．２≦ａ≦０．５。基材と、基材の表面に形成された、上記ターゲットを用いて形成された窒化物、炭化物又は炭窒化物を含む硬質被膜とを備えた硬質被膜被覆切削工具。
【選択図】図３

Description

本発明は、ターゲット及び硬質被膜被覆切削工具に関し、さらに詳しくは、表面が硬質被膜で被覆された硬質被膜被覆切削工具、及び、このような硬質被膜を形成するためのターゲットに関する。

切削工具においては、耐摩耗性を向上させることを目的として、表面に硬質被膜をコーティングすることが行われている。特に、近年では、高硬度かつ耐酸化性に優れるＣｒ−Ａｌ−Ｎ系被膜のコーティングが増加している。しかしながら、Ｃｒ−Ａｌ−Ｎ系被膜のような高硬度の被膜は、割れ等により剥離しやすいという問題がある。

そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、基材表面にＣｒ−Ａｌ−Ｎｉ−Ｎ系被膜が形成された表面被覆切削工具が開示されている。
同文献には、被膜中にＮｉが含まれていると、被膜の耐摩耗性と耐酸化性とが飛躍的に向上する点が記載されている。

硬質被膜がコーティングされた切削工具は、高速回転で使用される仕上げ工程で使用されることが多い。そのため、硬質被膜は、刃が当たる際の衝撃で剥離しないだけの密着性が必要となる。Ｃｒ−Ａｌ−Ｎ系被膜は、硬さは十分であるが、被膜が割れやすく、密着性に乏しい。
一方、Ｃｒ−Ａｌ−Ｎ系被膜にＮｉを添加すると、ある程度の硬さを保ったまま、膜の密着性を向上させることができる。しかしながら、Ｃｒ−Ａｌ−Ｎｉ−Ｎ系被膜であっても、耐摩耗性と密着性（耐久性）とを高度に両立させることは困難である。

特開２００６−８２２１０号公報

本発明が解決しようとする課題は、耐摩耗性及び密着性に優れた硬質被膜を形成するためのターゲット、及び、表面がこのような硬質被膜で被覆された硬質被膜被覆切削工具を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係るターゲットは、
Ｃｒ_1-x-y-zＡｌ_x[Ｎｉ_1-aＺｒ_a]_yＭ_zで表される組成を有し、相対密度が９５％以上であり、切削工具用硬質被膜を形成するために用いられるものからなる。
但し、
Ｍは、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｂ、Ｗ及びＶから選ばれる少なくとも１種の元素、
０．５≦ｘ≦０．８、０．０１≦ｙ≦０．３５、０≦ｚ≦０．２、
０．５１≦ｘ＋ｙ＋ｚ＜１、０．２≦ａ≦０．５。

本発明に係る硬質被膜被覆切削工具は、
基材と、
前記基材の表面に形成された、請求項１に記載のターゲットを用いて形成された窒化物、炭化物又は炭窒化物を含む硬質被膜と
を備えている。

Ｃｒ−Ａｌ−Ｎｉ系ターゲットのＮｉの一部をＺｒに置換し、これを用いて窒素及び／又は炭素共存下において被膜を形成すると、Ｃｒ−Ａｌ−（Ｚｒ、Ｎｉ）−（Ｃ、Ｎ）系被膜が得られる。このようなＣｒ−Ａｌ−（Ｚｒ、Ｎｉ）−（Ｃ、Ｎ）系被膜を切削工具表面に形成すると、従来の被膜に比べて、耐摩耗性及び密着性が向上する。
これは、
（ａ）被膜にＮｉを添加することによって、被膜の靱性が向上するため、及び、
（ｂ）従来のＣｒ−Ａｌ−Ｎｉ系被膜に比べ、被膜中に熱伝導率の高いＺｒ(Ｃ、Ｎ)が形成されるため、
と考えられる。
さらに、Ｃｒ−Ａｌ−（Ｚｒ、Ｎｉ）−（Ｃ、Ｎ）系被膜に元素Ｍを添加すると、被膜の耐摩耗性及び密着性がさらに向上する。

ラジアスエンドミルのＲ部の最大摩耗量の測定方法を示す図である。 Ｃｒ_0.3Ａｌ_0.6[Ｎｉ_1-aＺｒ_a]_0.1のＺｒ量（ａ値）と切削距離１０ｍでのラジアスエンドミルのＲ部の最大摩耗量との関係を示す図である。 Ｃｒ_0.4-yＡｌ_0.6[Ｎｉ_0.5Ｚｒ_0.5]_yのＺｒ＋Ｎｉ量（ｙ値）と切削距離１０ｍでのラジアスエンドミルのＲ部の最大摩耗量との関係を示す図である。

以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１． ターゲット］
本発明に係るターゲットは、
Ｃｒ_1-x-y-zＡｌ_x[Ｎｉ_1-aＺｒ_a]_yＭ_zで表される組成を有し、相対密度が９５％以上であり、切削工具用硬質被膜を形成するために用いられるものからなる。
但し、
Ｍは、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｂ、Ｗ及びＶから選ばれる少なくとも１種の元素、
０．５≦ｘ≦０．８、０．０１≦ｙ≦０．３５、０≦ｚ≦０．２、
０．５１≦ｘ＋ｙ＋ｚ＜１、０．２≦ａ≦０．５。

［１．１． ターゲット組成］
（１）Ｃｒ量（１−ｘ−ｙ−ｚ）：
Ｃｒは、被膜の硬度及び耐摩耗性を向上させる効果がある。Ｃｒ量は、さらに好ましくは、０．２以上である。
一方、Ｃｒ量が過剰になると、被膜強度及び耐剥離性が低下する。従って、Ｃｒ量は、０．４９以下である必要がある。Ｃｒ量は、さらに好ましくは、０．３以下である。

（２）Ａｌ量（ｘ）：
Ａｌは、被膜の硬度及び耐酸化性を向上させる効果がある。このような効果を得るためには、Ａｌ量は、０．５以上である必要がある。Ａｌ量は、さらに好ましくは、０．５５以上である。
一方、Ａｌ量が過剰になると、被膜硬度及び耐摩耗性が低下する。従って、Ａｌ量は、０．８以下である必要がある。Ａｌ量は、さらに好ましくは、０．７０以下である。

（３）Ｚｒ＋Ｎｉ量（ｙ）：
Ｎｉは、被膜の硬度を低下させるが、耐摩耗性を向上させる効果がある。これは、被膜中に、比較的低硬度なＮｉ窒化物が生成され、これが切削加工時の負荷応力を軽減し、割れや剥離を低減させるためと考えられる。
また、ＺｒによるＮｉの一部置換は、被膜の硬度を向上させ、かつ、耐摩耗性をさらに向上させる効果がある。本発明者らは、Ｚｒの窒化物や炭化物は、ＣｒやＴｉ等の窒化物や炭化物に比べて、硬度は同等で熱伝導率が高い、との知見を得ている。ＺｒによるＮｉの一部置換によって被膜の硬度や耐摩耗性が向上するのは、被膜中にＺｒの窒化物や炭化物が生成するためと考えられる。

Ｚｒ＋Ｎｉ量は、被膜の耐摩耗性に影響を与える。一般に、Ｚｒ＋Ｎｉ量が多くなるほど、被膜の耐摩耗性が向上する。これは、Ｎｉによる負荷応力軽減効果と、Ｚｒによる放熱作用がともに増大するためと考えられる。このような効果を得るためには、Ｚｒ＋Ｎｉ量は、０．０１以上である必要がある。Ｚｒ＋Ｎｉ量は、さらに好ましくは、０．１０以上である。
一方、Ｚｒ＋Ｎｉ量が過剰になると、かえって耐摩耗性が低下する。これは、被膜全体が軟化するためと考えられる。従って、Ｚｒ＋Ｎｉ量は、０．３５以下である必要がある。Ｚｒ＋Ｎｉ量は、さらに好ましくは、０．１５以下である。
Ｎｉと同族元素であるＦｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｉｒにおいても、被膜の靱性が向上する。しかしながら、Ｚｒとの組み合わせにおいて、複数の化合物（Ｎｉ₅Ｚｒ、Ｎｉ₇Ｚｒ₂、Ｎｉ₃Ｚｒ、Ｎｉ₂₁Ｚｒ₈、Ｎｉ₁₀Ｚｒ₇、Ｎｉ₁₁Ｚｒ₉、ＮｉＺｒ、ＮｉＺｒ₂）を形成するＮｉが、製造する上で最も適していることを確認した。すなわち、合金試料を作製する上で、ＺｒとＮｉとの配合を簡便に行うことができる。

（４）ＺｒによるＮｉの置換量（ａ）：
ＺｒによるＮｉの置換量（ａ値）は、被膜の耐摩耗性に影響を与える。一般に、ａ値が大きくなるほど、被膜の耐摩耗性が向上する。これは、Ｚｒの窒化物や炭化物による放熱作用が増大するためと考えられる。このような効果を得るためには、ａ値は、０．２以上である必要がある。ａ値は、さらに好ましくは、０．３５以上である。
一方、ａ値が過剰になると、Ｎｉによる負荷応力軽減効果が小さくなり、かえって耐摩耗性が低下する。また、必要以上のＺｒの添加は、高コスト化を招く。従って、ａ値は、０．５以下が好ましい。

（５）Ｍ量（ｚ）：
Ｍは、任意元素であり、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｂ、Ｗ及びＶから選ばれる少なくとも１種の元素からなる。これらの内、Ｔｉは、ＣｒＮよりも高硬度のＴｉＡｌＮを析出させる効果がある。Ｎｂは、軟質なＡｌＮの析出を抑制することで、被膜中のＡｌ量を増加させ、被膜を高硬度化させる効果がある。Ｓｉ及びＢは、ＡｌＮを微細化及び分散させると考えられ、結果として高硬度化の効果がある。Ｖは、ドライ切削中における潤滑効果があると考えられる。さらに、Ｗは、高融点元素であり、ターゲットに含有させることでドロプレットを抑制する効果、及び、被膜の高硬度化や耐酸化性を向上させる効果があると考えられる。

一般に、元素Ｍの含有量が多くなるほど、被膜の耐摩耗性が向上する。
一方、元素Ｍの含有量が過剰になると、製造上硬さを確保する観点からＡｌを相対的に少なくせざるを得ないため、かえって耐摩耗性が低下する。従って、Ｍ量は、０．２０以下である必要がある。Ｍ量は、さらに好ましくは、０．１０以下である。

［１．２． 相対密度］
一般に、ターゲットの相対密度が低い場合、開気孔中に含まれるガス等の不純物が成膜時に雰囲気中に放出され、被膜性能を劣化させる。また、ターゲットの相対密度が低くなるほど、ターゲットの消耗が不均一となり、ターゲットの強度も低下する。従って、ターゲットの相対密度は、９５％以上である必要がある。ターゲットの相対密度は、さらに好ましくは、９８％以上である。

［１．３． 用途］
本発明に係るターゲットは、切削工具用硬質被膜を形成するために用いられる。
本発明が適用される切削工具は、特に限定されるものではなく、あらゆる切削工具に対して適用することができる。切削工具としては、具体的には、ドリル、エンドミル、ドリル用刃先交換型チップ、エンドミル用刃先交換型チップ、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削加工用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切り工具、リーマ、タップなどがある。

［２． ターゲットの製造方法］
ターゲットは、成分元素を含む粉末を混合し、混合粉を冷間〜熱間において加圧することにより製造することができる。
原料粉末は、成分元素を含む純金属、合金又は化合物のいずれであっても良い。但し、Ｚｒは、製造上、単体での取扱が難しいので、ＺｒＮｉ化合物を用いるのが好ましい。
成形方法としては、例えば、冷間静水圧成型（ＣＩＰ）法、熱間静水圧成形（ＨＩＰ）法、熱間押出法、超高圧ホットプレス法などがある。ＺｒＮｉ化合物を用いた場合、ターゲット材は、これらの成形方法で容易に製造できる。成形条件は、特に限定されるものではなく、所定の相対密度が得られる条件であればよい。

［３． 硬質被膜被覆切削工具］
本発明に係る硬質被膜被覆切削工具は、基材と、硬質被膜とを備えている。

［３．１． 基材］
基材は、特に限定されるものではなく、切削工具として一般に用いられる、あらゆる材料を用いることができる。
基材としては、具体的には、
（１）ＷＣ−Ｃｏ系合金、ＷＣ−ＴｉＣ−Ｃｏ系合金、ＷＣ−ＴａＣ−Ｃｏ系合金、ＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣ−Ｃｏ系合金などの超硬合金、
（２）ＴｉＣ−Ｍｏ₂Ｃ−Ｎｉ、ＴｉＣ−ＴｉＮ−ＷＣ−Ｍｏ₂Ｃ−Ｎｉなどのサーメット、
（３）高速度鋼、
（４）ＴｉＣ、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、立方晶ＢＮ、ダイヤモンド、Ａｌ₂Ｏ₃−ＴｉＣなどのセラミックス、
などがある。

［３．２． 硬質被膜］
硬質被膜は、本発明に係るターゲットを用いて、窒素及び／又は炭素共存下において基材表面に形成されたものからなる。そのため、硬質被膜は、成膜時の雰囲気中に含まれる窒素濃度及び炭素濃度に応じて、ターゲットを構成する金属元素の窒化物、炭化物又は炭窒化物を含む。

硬質被膜の成膜には、通常、ＰＶＤ法が用いられる。窒化膜を形成する場合、成膜雰囲気中に窒素源（例えば、Ｎ₂ガス）を導入する。炭化膜を形成する場合、成膜雰囲気中に炭素源（例えば、ＣＨ₄ガス）を導入する。さらに、炭窒化膜を形成する場合、成膜雰囲気中に窒素源及び炭素源（例えば、Ｎ₂＋ＣＨ₄混合ガス）を導入する。
成膜条件は、特に限定されるものではなく、目的とする硬質被膜が効率よく形成されるように、ターゲット組成や成膜雰囲気に応じて、最適な条件を選択すればよい。

［４． ターゲット及び硬質被膜被覆切削工具の作用］
Ｃｒ−Ａｌ−Ｎｉのターゲット材を用いて被膜を形成すると、被膜硬度の低下が認められたが、切削試験では摩耗量が少ないことが実験からわかった。これは、Ｎｉを添加すると、Ｃｒ−Ａｌ−Ｎ系被膜中に、比較的低硬度なＮｉ窒化物が生成することによるものと考えられる。Ｃｒ−Ａｌ−Ｎ系被膜は、非常に被膜硬度が高いため、例えば、切削工具等に被覆して使用する際、被加工材と接触する時の負荷応力で割れて、剥離してしまい、本来の優れた特性を発揮できない場合があると考えられる。しかし、内部に比較的低硬度なＮｉ窒化物を含有させることで、負荷応力が緩和され、割れや剥離の抑制ができ、切削試験での工具の摩耗を低減できたと考えられる。
そして、この負荷応力の緩和は、Ｎｉが窒素とＮｉ₄Ｎ化合物を形成することにより作用している、と考えられる。すなわち、Ｆｅ、Ｃｏ等の元素は、窒化物を形成する際、ＦｅＮ、ＣｏＮとして存在するが、本発明の場合には、Ｎｉの介在量が多くなることにより、負荷応力の緩和、つまり、さらなる靱性の向上にも寄与するものと推察される。

また、Ｃｒ−Ａｌ−Ｎｉ−Ｚｒのターゲット材を用いて被膜を形成すると、被膜硬度が向上し、かつ切削試験では摩耗量がＺｒ無添加被膜と比べて少ないことが実験からわかった。これは、Ｚｒの窒化物や炭化物は、ＣｒやＴｉの窒化物や炭化物と比較して、硬度は同等で熱伝導率が高いためと考えられる。切削加工において、工具は、非常に高熱に曝される。そのため、そのような工具には、近年、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ系被膜やＣｒ−Ａｌ−Ｎ系被膜等の耐酸化性の高いコーティングが被膜される傾向にある。しかし、熱による表面の劣化が無くても、工具自体が熱により劣化してしまうことは避けられない。そのため、表面にできるだけ熱がこもらない熱伝導率の高いＺｒ添加のコーティングにより、切削試験で工具の摩耗を低減できたと考えられる。

（実施例１）
［１． 試料の作製］
成分元素を含む粉末を成形することにより、Ｃｒ−Ａｌ−(Ｚｒ、Ｎｉ)−Ｍターゲットを作製した。Ｚｒ源には、ＺｒＮｉ化合物粉末を用いた。相対密度は、９８％であった。
次に、作製したＣｒ−Ａｌ−(Ｚｒ、Ｎｉ)−Ｍターゲット及びＰＶＤ装置を用いて、Ｒ０．５のラジアス超硬エンドミル（φ６ｍｍ）に被膜をコーティングした。ＰＶＤコーティング条件は、以下の通りである。
コーティング時間： ２０ｍｉｎ
コーティング温度： ５００℃
バイアス電圧： １００Ｖ
ガス圧力： ３．０Ｐａ
アーク電流： １００Ａ
ガス流量： 窒化膜の場合 Ｎ₂＝３００ｃｃｍ
炭窒化膜の場合 Ｎ₂＝２００ｃｃｍ、ＣＨ₄＝１００ｃｃｍ

［２． 試験方法］
マシニングセンターを用いて、エンドミルの切削試験を行った。切削条件は、以下の通りである。
切削方法： 高速仕上げ加工
被削材： ＪＩＳ ＳＫＤ６１ （ＨＲＣ４５）
工具： 超硬ラジアスエンドミル（２枚羽）
切り込み： 軸方向０．３ｍｍ、径方向０．３ｍｍ
主軸回転数： ５０００ｒｐｍ（加工部位での周速：約１００ｍ／ｍｉｎ）
テーブル送り速度： ４００ｍｍ／ｍｉｎ
切削油： 無し、ドライ切削（エアーブロー）

１０ｍの切削加工後、エンドミルをマシニングセンターより外し、ラジアスエンドミルのＲ部の最大摩耗量を測定した。ラジアスエンドミルのＲ部の最大摩耗量は、倍率３倍のＣＣＤカメラで実測することにより測定した。ここで、「ラジアスエンドミルのＲ部の最大摩耗量」とは、図１に示すように、ラジアスエンドミルのＲ部の先端から被膜の剥離及び摩耗が確認できる位置までの距離の最大値をいう。つまり、上記最大摩耗量を指標として、耐摩耗性と密着性の評価を行った。一般的に、摩耗量が約２００μｍを超えると、切削性の劣化や折損等の破損を懸念して、寿命として廃棄する。

［３． 結果］
表１に、結果を示す。なお、表１には、ターゲット組成を併せて示した。被膜の組成は、通常、ターゲット組成にほぼ一致する。また、図２に、Ｃｒ_0.3Ａｌ_0.6[Ｎｉ_1-aＺｒ_a]_0.1のＺｒ量（ａ値）と切削距離１０ｍでのラジアスエンドミルのＲ部の最大摩耗量との関係を示す。さらに、図３に、Ｃｒ_0.4-yＡｌ_0.6[Ｎｉ_0.5Ｚｒ_0.5]_yのＺｒ＋Ｎｉ量（ｙ値）と切削距離１０ｍでのラジアスエンドミルのＲ部の最大摩耗量との関係を示す。

表１、図２及び図３より、以下のことがわかる。
（１）ｙ＝０．１の場合、Ｚｒ量（ａ値）が大きくなるほど、最大摩耗量が少なくなる。また、ａ≧０．２とすると、最大摩耗量が１２０μｍ以下となる。
（２）ａ＝０．５の場合、Ｚｒ＋Ｎｉ量（ｙ値）が０．０１〜０．３５のときに、最大摩耗量が１２０μｍ以下になる。
（３）元素Ｍを添加すると、最大摩耗量は、いずれも１００μｍ以下になる。

比較例１に関しては、ＺｒＮｉを過剰に添加すると、被膜が軟化するため、摩耗量が大きくなったと考えられる。また、比較例２に関しては、Ｎｉが添加されているものの熱伝導率が高いＺｒが添加されていないため、摩耗を低減できなかったと考えられる。また、その他の比較例は、Ｎｉ、Ｚｒが添加されていないため、摩耗を低減できなかった。
これに対し、実施例では、最大摩耗量が１２０μｍ以下であり、十分な耐摩耗性及び密着性を備えていることが確認できた。
なお、ＺｒＮｉ化合物以外の生成可能なＺｒ−Ｘ化合物（Ｘ＝Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｉｒ）を用いた試験を行ったが、製造上適用可能なＺｒ／Ｘ比の観点から、ａ＝０．２とした組成しか製造できなかった。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。

本発明に係るターゲットは、切削工具の表面に硬質皮膜を形成するためのターゲットとして用いることができる。
本発明に係る硬質被膜被覆切削工具は、各種切削加工に用いることができる。

Claims (2)

1. Ｃｒ_1-x-y-zＡｌ_x[Ｎｉ_1-aＺｒ_a]_yＭ_zで表される組成を有し、相対密度が９５％以上であり、切削工具用硬質被膜を形成するために用いられるターゲット。
   但し、
   Ｍは、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｂ、Ｗ及びＶから選ばれる少なくとも１種の元素、
   ０．５≦ｘ≦０．８、０．０１≦ｙ≦０．３５、０≦ｚ≦０．２、
   ０．５１≦ｘ＋ｙ＋ｚ＜１、０．２≦ａ≦０．５。
2. 基材と、
   前記基材の表面に形成された、請求項１に記載のターゲットを用いて形成された窒化物、炭化物又は炭窒化物を含む硬質被膜と
   を備えた硬質被膜被覆切削工具。

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