JP2013046955A - 耐欠損性と耐摩耗性にすぐれた表面被覆切削工具 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】工具基体の表面に、物理蒸着法によって硬質被覆層を被覆形成した表面被覆切削工具において、硬質被覆層は、組成式:(Al1−x−yTixSiy)(N1−zCz)で表される平均層厚0.5〜8.0μmの複合炭窒化物層あるいは複合窒化物層からなり、硬質被覆層は、構成元素のうち90原子%以上が金属元素である平均断面長径0.05〜0.5μmの金属粒子を含有し、該金属粒子は硬質被覆層中に3〜18%の縦断面面積比率で分散分布し、金属粒子のうち、構成元素に50原子%以上のAlを含み、かつ縦断面形状のアスペクト比が2.0以上かつ断面長径が基体表面となす鋭角が45°以下などの条件を満たす粒子の縦断面面積比率をA%、それ以外の粒子の縦断面面積比率をB%としたとき、0.3≦A/(A+B)である。
【選択図】図2
Description
前記特許文献3のように、硬質被覆層内に金属粒子を分散させることにより、膜内部の応力を緩和させ、耐欠損性を向上させることができる。ところが、通常、ターゲットから発生した金属粒子は基体に付着する前に凝固するため、金属粒子は形状や基体表面に対する角度がランダムな状態で皮膜に取り込まれる。球状に形成された粒子や、細長いものでも膜厚方向に縦長の粒子は切削時に抵抗を受けやすく脱落しやすい上、脱落時に膜表面を大きく損傷させてしまい、表面粗度が増すことで耐欠損性が低下するという課題がある。そのため、硬質被覆層内に単純に金属粒子を分散させただけでは、例えば、炭素鋼、合金工具鋼等の被削材を、耐摩耗性と耐欠損性が同時に必要とされる正面フライスなどの加工形態で加工した場合において、硬質被覆層が欠損を発生しやすく、その結果、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
そこで、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち、本発明の目的は、炭素鋼、合金工具鋼等の被削材を正面フライスなどの加工形態で加工した場合であっても、すぐれた耐摩耗性と耐欠損性を発揮する表面被覆切削工具を提供することである。
さらに、(Al,Ti,Si)(N,C)層における前記粒子の平均断面長径および縦断面面積比率、組成、縦断面形状のアスペクト比、アスペクト比2.0以上かつ断面長径が基体表面となす鋭角が45°以下である粒子の粒子全体に対する縦断面面積比率は、ターゲット前面の空間の温度、ターゲットのアーク電流、ターゲット表面の磁力等を変調させることで制御できることを見出した。
また、前記硬質被覆層の表面に、少なくともTi、Cr、Alのいずれかの元素を含み、前記元素とSiの群から選ばれる一種以上の元素の窒化物、炭化物または炭窒化物のいずれかであり、ビッカース硬さが2500Hv以上かつ平均層厚0.5〜3.0μmである表面層を備えることによって、硬質被覆層の効果と相まって、より一層耐摩耗性を発揮することを見出したのである。ここで、前述の記載において、「少なくともTi、Cr、Alのいずれかの元素」と「前記元素とSiの群から選ばれる一種以上の元素」とが同じ元素となっても構わない。
また、前記超硬合金と硬質被覆層との間に、少なくともTiを含み、Ti、Cr、Al、Siの群から選ばれる一種以上の元素の窒化物または炭窒化物である平均層厚0.1〜2.0μmの中間層を備えることによって、硬質被覆層の効果と相まって、より一層耐欠損性を発揮することを見出したのである。
以上のような知見に基づき、本発明を完成するに至った。
「(1) 炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体の表面に、物理蒸着法によって硬質被覆層を被覆形成した表面被覆切削工具において、
前記硬質被覆層は、組成式:(Al1−x−yTixSiy)(N1−zCz)(但し、0.3≦x≦0.7、0≦y≦0.1、0≦z≦0.3)で表される平均層厚0.5〜8.0μmの複合炭窒化物層または複合窒化物層からなり、
前記硬質被覆層は、構成元素の90原子%以上が金属元素である粒子を含有しており、前記粒子は、平均断面長径0.05〜0.5μmで前記硬質被覆層中に3〜18%の縦断面面積比率で分散分布し、
前記粒子のうち、構成元素に50原子%以上のAlを含み、かつ縦断面形状のアスペクト比が2.0以上かつ断面長径が基体表面となす鋭角が45°以下である粒子の縦断面面積比率をA%、それ以外の粒子の縦断面面積比率をB%としたとき、
0.3≦A/(A+B)
であることを特徴とする表面被覆切削工具。
(2) 前記硬質被覆層の表面に、少なくともTi、Cr、Alのいずれかの元素を含み、前記元素とSiの群から選ばれる一種以上の元素の窒化物、炭化物または炭窒化物のいずれかであり、ビッカース硬さが2500Hv以上かつ平均層厚0.5〜3.0μmである表面層を備えたことを特徴とする(1)記載の表面被覆切削工具。
(3) 前記工具基体と硬質被覆層との間に、少なくともTiを含み、Ti、Cr、Al、Siの群から選ばれる一種以上の元素の窒化物または炭窒化物である平均層厚0.1〜2.0μmの中間層を備えたことを特徴とする(1)または(2)記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有する。
(Al,Ti,Si)(N,C)層(AlとTiとSiの複合炭窒化物層または複合窒化物層)からなる硬質被覆層においては、その構成成分であるAl成分が高温硬さと耐熱性を向上させ、Ti成分が高温強度を向上させ、また、Si成分が耐酸化性を向上させる。さらに、AlとTiとが共存することによって高温耐酸化性を向上させる作用がある。ところが、(Al,Ti,Si)(N,C)層において、AlとSiとの合量に占めるTiの含有割合が30原子%未満であると、溶着性の高い被削材の正面フライス切削加工において、被削材および切粉に対する耐溶着性を確保することができず、また、高温強度も低下するため、溶着、欠損を発生しやすくなる。一方、AlとSiとの合量に占めるTiの含有割合が70原子%を超えると、相対的なAl含有割合の減少により、高温硬さの低下、耐熱性の低下が生じ、偏摩耗の発生、熱塑性変形の発生等により耐摩耗性が低下する。したがって、AlとSiとの合量に占めるTiの含有割合は、30〜70原子%とすることが望ましい。
また、Siは含有させなくても一定の効果が奏されるが、AlとTiとの合量に占めるSiの含有割合が10原子%以下の範囲でSiを含有させることにより耐酸化性が向上し、高温硬さも向上するため、より好ましい。一方、AlとTiとの合量に占めるSiの含有割合が10原子%を超えると、(Al,Ti,Si)(N,C)層の高温靭性、高温強度が低下するので、AlとTiとの合量に占めるSiの含有割合は、0〜10原子%とすることが望ましい。
硬質被覆層において、一部のNをCに置き換えることでさらに耐摩耗性を向上させることができる。一方でCを含有するほど耐欠損性は低下するので、Nに対するCの含有割合は、0〜30原子%とすることが望ましい。
硬質被覆層の層厚が0.5μm未満だと金属粒子を内部に分散させても所望の効果が得ることができず、一方、8.0μmを越えると切刃部に欠損が生じやすくなるため、平均層厚は0.5〜8.0μmとした。
本発明において、断面長径とは、基体表面に垂直な皮膜断面における金属粒子の断面形状で最も長い直径を意味する。内部に金属粒子を含有することで、皮膜内の残留応力が緩和され、膜内の応力分布が均一になるため、耐欠損性が向上する。この際、金属粒子の平均断面長径が0.05μmより小さいと目的とする応力緩和効果が得られない。一方、金属粒子の平均断面長径が0.5μmより大きい場合、皮膜と平行方向に大きく広がる金属粒子が多くなるため、炭窒化物膜の柱状の結晶成長が阻害され、その結果、膜の付着強度が低下し、耐欠損性が低下する。したがって、(Al,Ti,Si)(N,C)層中における金属粒子の平均断面長径は0.05〜0.5μmとすることが望ましく、より好ましくは0.05〜0.3μmである。ただし、粒子の平均断面長径が上記の範囲であっても、金属粒子のアスペクト比が2.0以下あるいは金属粒子の縦断面形状における断面長径が基体表面となす鋭角が45°以上の場合には切削時のこすれ摩擦によって金属粒子が脱落しやすく、また脱落時に膜が深さ方向に大きくえぐられるため、耐欠損性の低下を招く。ここで、本発明における金属粒子とは、構成元素の90原子%以上が金属元素である粒子を意味している。また、構成元素中の窒素、炭素の合量が増加すると硬度が増し、応力緩和効果が低下するため、金属粒子中に含まれる窒素、炭素の量は合量で5原子%以内であることが望ましい。
金属粒子の縦断面面積比率が3%より小さいと膜内における金属粒子の割合が少なく、目的とする応力緩和効果が得られない。一方、18%より大きいと前述と同様結晶成長が阻害される上、膜内における金属粒子の割合が高くなると膜の硬さが低下するため、耐欠損性、耐摩耗性の低下を招く。したがって、(Al,Ti,Si)(N,C)層中における金属粒子は、3〜18%の縦断面面積比率で分散分布させることが望ましく、より好ましくは3〜12%である。
アスペクト比の大きい偏平形状の金属粒子を効果的に分散させるためには、低融点金属であるAlの、粒子の構成成分に占める割合が高いことが望ましい。50原子%以上のAlを含むことで金属粒子の融点が低くなるので、高アスペクト比の粒子が得られやすくなる。金属粒子はターゲット上の微小な溶融領域から発生するため、微小領域の組成の不均一性や溶融領域中の組成揺らぎによって、個々の金属粒子では、組成中のAl量がターゲット中のAl量よりも大きいものが発生し得る。一方で、全ての金属粒子における平均のAl量はターゲットのAl量に依存する。ここで、全ての金属粒子における平均のAl量はターゲット表面の磁力を用いて制御できる。例えば、AlTiターゲットの場合、蒸気圧の関係からAlが優先的に気化しやすいため、通常、ターゲットから発生する金属粒子の平均組成はターゲット組成と比べてTi寄りになる。ターゲット表面の磁力を高めるとアークスポットの速度が増加し、アークスポットが局所的に留まる時間が短くなるため、局所的な加熱が抑えられ、Alの気化を抑制することができ、ターゲットから発生する金属粒子の平均組成をAl寄りにすることができる。また、Alの気化が抑制されることで溶融領域におけるAl量が増加するため、個々の金属粒子を見た場合にも、Alが多く含まれた粒子が増加する。このようにして、同じ組成のターゲットを用いた場合でも金属粒子にAlを多く含ませることが可能である。
Alを50原子%以上含む金属粒子のうち、硬質被覆層の特定の縦断面において観察した縦断面形状のアスペクト比が2.0以上かつ断面長径が基体表面となす鋭角が45°以下である粒子が少ない場合、切削時のこすれ摩耗によって金属粒子が脱落しやすく、また脱落時に膜が深さ方向に大きくえぐられるため、皮膜の表面粗度が増し、耐欠損性の低下を招く。つまり、構成元素に50原子%以上のAlを含み、かつ縦断面形状のアスペクト比が2.0以上かつ断面長径が基体表面となす鋭角が45°以下である粒子の縦断面面積比率をA%、それ以外の粒子の縦断面面積比率をB%としたとき、A/(A+B)の値が0.3より小さい場合、所望の耐欠損性が得られないため、0.3≦A/(A+B)とする。
少なくともTi、Cr、Alのいずれかの元素を含み、前記元素とSiの群から選ばれる一種以上の元素の窒化物、炭化物または炭窒化物からなる表面層:
本発明では硬質被覆層内部の金属粒子が内部応力を緩和することで耐欠損性を向上させるが、一方で、内部の金属粒子量が増加すると、硬質被覆層全体の硬さが低下し、耐摩耗性がやや低下する。そこで、前記硬質被覆層の表面に硬度の高い皮膜を設けることで、総合的な切削性能をさらに向上させることができる。しかしながら、その平均層厚が0.5μm未満では、表面層の有する効果が十分に奏されず、一方、3.0μmを超えると硬質被覆層内部の応力が高まり、チッピングの発生を招くため好ましくない。したがって、その平均層厚は、0.5〜3.0μmと定めた。さらに、表面層のビッカース硬さが2500Hv未満では、耐摩耗性を向上させる作用が十分でないため、2500Hv以上と定めた。
少なくともTiを含み、Ti、Cr、Al、Siの群から選ばれる一種以上の元素の窒化物または炭窒化物からなる中間層:
本発明では硬質被覆層内部の金属粒子が内部応力を緩和することで耐欠損性を向上させているが、一方で、硬質被覆層内部の金属粒子量が増加すると、皮膜の柱状の結晶成長を阻害し、密着力がやや低下する。そこで、前記硬質被覆層と基材との間に、硬質被覆層の構成成分を含む親和性の高い皮膜を設けることで、さらに切削性能を向上させることができる。しかしながら、その平均層厚が0.1μm未満では、中間層の有する効果が十分に奏されず、一方、2.0μmを超えると皮膜内部の応力が高まり、剥離の発生を招くため好ましくない。したがって、その平均層厚は、0.1〜2.0μmと定めた。
すなわち、金属粒子を硬質被覆層内に分散分布させることで、硬質被覆層内部の応力が緩和され、硬質被覆層内の応力分布が均一になるため、耐欠損性が向上する。通常のPVD法で成膜すると、ターゲットから発生した金属粒子は基板表面に到着前に凝固してしまう。このとき金属粒子はランダムな向きで皮膜内に取り込まれる。球状に近い金属粒子、あるいは細長いものでも皮膜の膜厚方向に縦長の金属粒子は切削時に大きな抵抗を受けやすく、脱落しやすい上、脱落時に皮膜を大きく損傷させてしまう。本発明では金属粒子を高温のまま基体に付着させることで、付着時の衝撃により基体表面の形に沿って変形させる。これにより、金属粒子は基体表面に垂直な断面から見て偏平な形状となる。金属粒子をアスペクト比の大きい偏平形状にすることで切削時の抵抗が小さくなり、金属粒子が脱落しにくく、また脱落時の膜厚方向への損傷も小さくなる。基体表面が平滑であれば金属粒子はアスペクト比の大きい偏平形状となるため、皮膜の縦断面において金属粒子断面形状の断面長径と基体表面とのなす鋭角は45°以下に制御される。皮膜は下地の凹凸を反映して成長するので、偏平形状の金属粒子を分散させても皮膜の平滑性は損なわれない。その結果、耐欠損性にすぐれた硬質被覆層を提供できる。
さらに硬質被覆層の表面に、平均層厚0.5〜3.0μmでビッカース硬さが2500Hv以上である少なくともTi、Cr、Alのいずれかの元素を含み、前記元素とSiの群から選ばれる元素の窒化物、炭化物または炭窒化物からなる表面層を形成した場合には、前記の効果に加えてすぐれた耐摩耗性を発揮するものである。
また、工具基体と硬質被覆層との間に、平均層厚0.1〜2.0μmである少なくともTiを含み、Ti、Cr、Al、Siの群から選ばれる元素の窒化物、炭化物または炭窒化物からなる中間層を形成した場合には、前記の効果に増してさらにすぐれた耐欠損性を発揮するものである。
表3に、値をそれぞれ示す。値は前述の測定範囲5箇所の平均値である。ここで、「全金属粒子の平均Al量」を表2の条件と比較すると、ターゲット表面磁力の大きい条件ほど全金属粒子の平均Al量がターゲット組成に近づくことがわかり、ターゲット磁力を用いて確かに金属粒子の組成が制御できているとわかる。
また、図2に、本発明の被覆工具の硬質被覆層の概念を説明する縦断面模式図を本発明の特性値とともに示す。硬質被覆層中の金属粒子のうち観察面における縦断面形状のアスペクト比が2.0以上かつ断面長径が基体表面となす鋭角が45°以下であるものを金属粒子Aとし、右ハッチを付し、それ以外の金属粒子を金属粒子Bとし、左ハッチを付している。
また、本発明被覆工具7〜10については、前記の硬質被覆層の表面に表3に示した組成、ビッカース硬さ、目標層厚の表面層を形成した。また、本発明被覆工具5〜8については、前記工具基体と硬質被覆層の間に表3に示した組成、目標層厚の中間層を形成した。図1のアークイオンプレーティング装置について、ターゲットの総設置数が3面以上あれば、表面層と中間層はそれぞれ別の組成の皮膜を用いることができる。なお、表面層と中間層の成膜時には、金属粒子の分散による効果の減少を防ぐため、筒状ヒーターは使用しない。
また、比較被覆工具7〜10については、前記の硬質被覆層の表面に表5に示した組成、ビッカース硬さ、目標層厚の表面層を形成した。また、比較被覆工具5〜8については、前記工具基体と硬質被覆層の間に表5に示した組成、目標層厚の中間層を形成した。
これらの値を同じく表5にそれぞれ示す。
被削材: JIS・SKD61(HRC52)のブロック材
回転速度: 764/min、
切削速度: 300m/min、
切り込み: ap 2.0 mm、
一刃送り量: 0.1mm/刃、
切削油剤: エアー、
切削時間: 5 分、
表6に、前記切削試験の結果を示す。
さらに、硬質被覆層の表面に、少なくともTi、Cr、Alのいずれかの元素を含み、前記元素とSiの群から選ばれる一種以上の元素の窒化物、炭化物または炭窒化物層のいずれかであり、ビッカース硬さが2500Hv以上かつ平均層厚0.5〜3.0μmである表面層を備えることにより、より一層の耐摩耗性を発揮する。
また、工具基体と硬質被覆層との間に、少なくともTiを含み、Ti、Cr、Al、Siの群から選ばれる一種以上の元素の窒化物または炭窒化物である平均層厚0.1〜2.0μmの中間層を備えることにより、より一層の耐欠損性を発揮する。
Claims (3)
- 炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体の表面に、物理蒸着法によって硬質被覆層を形成した表面被覆切削工具において、
前記硬質被覆層は、組成式:(Al1−x−yTixSiy)(N1−zCz)(但し、0.3≦x≦0.7、0≦y≦0.1、0≦z≦0.3)で表される平均層厚0.5〜8.0μmの複合炭窒化物層または複合窒化物層からなり、
前記硬質被覆層は、構成元素の90原子%以上が金属元素である粒子を含有しており、前記粒子は、平均断面長径0.05〜0.5μmで前記硬質被覆層中に3〜18%の縦断面面積比率で分散分布し、
前記粒子のうち、構成元素に50原子%以上のAlを含み、かつ縦断面形状のアスペクト比が2.0以上かつ断面長径が基体表面となす鋭角が45°以下である粒子の縦断面面積比率をA%、それ以外の粒子の縦断面面積比率をB%としたとき、
0.3≦A/(A+B)
であることを特徴とする表面被覆切削工具。 - 前記硬質被覆層の表面に、少なくともTi、Cr、Alのいずれかの元素を含み、前記元素とSiの群から選ばれる一種以上の元素の窒化物、炭化物または炭窒化物層のいずれかであり、ビッカース硬さが2500Hv以上かつ平均層厚0.5〜3.0μmである表面層を備えたことを特徴とする請求項1記載の表面被覆切削工具。
- 前記工具基体と硬質被覆層との間に、少なくともTiを含み、Ti、Cr、Al、Siの群から選ばれる一種以上の元素の窒化物または炭窒化物である平均層厚0.1〜2.0μmの中間層を備えたことを特徴とする請求項1または請求項2記載の表面被覆切削工具。
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