JP2013252583A - 切削工具用の基材およびそれを含む表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、優れた強度を有するとともに被覆膜との密着性に優れた切削工具用の基材を提供することにある。
【解決手段】本発明の切削工具用の基材は、超硬合金からなるものであって、該基材の表面から深さ２μｍ以内の表面領域は、ＣｏとＷとの複合炭化物からなるマトリックス中にＷＣ粒子が存在する構造を有することを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、切削工具用の基材およびそれを含む表面被覆切削工具に関する。

従来より切削工具の耐摩耗性等の特性を向上させることを目的として、超硬合金からなる基材上に化学蒸着法（ＣＶＤ法）により被覆膜を形成することが行なわれてきた。そして、この被覆膜を化学蒸着法により形成すると、その形成時においてη相とよばれるＷとＣｏの複合炭化物が超硬合金の表面部に形成されることが知られていた。このη相は、数μｍというかなり厚い厚みを有したものであり、被覆膜を形成した切削工具の強度を低下させたり、基材と被覆膜の剥離の原因になるものと考えられていた。

このため、η相を形成させない方法やη相の問題を低減する方法が種々検討されてきた。たとえば特開平１１−２５４２０８号公報（特許文献１）は、η相を全く形成させないのではなく、０．１〜２μｍの厚みでη相を形成させ、これにより基材と被覆膜との密着性を向上させることを提案している。

特開平１１−２５４２０８号公報

特許文献１の提案により基材と被覆膜との密着性はある程度向上することが期待されるものの、被覆膜を形成した切削工具の強度が低下するという問題は十分に解決されていない。昨今の切削加工技術においては、このような表面被覆切削工具に対して極めて高度な性能が要求されており、強度の向上ならびに基材と被覆層との密着性の更なる向上が求められている。

本発明は、上記のような現状に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、優れた強度を有するとともに被覆膜との密着性に優れた切削工具用の基材およびそれを含む表面被覆切削工具を提供することにある。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、切削工具用の基材の表面領域にＷとＣｏとの複合炭化物とＷＣ粒子とを共存させることが重要であるとの知見を得、この知見に基づきさらに検討を重ねることにより本発明を完成させたものである。

すなわち、本発明の切削工具用の基材は、超硬合金からなるものであって、該基材の表面から深さ２μｍ以内の表面領域は、ＣｏとＷとの複合炭化物からなるマトリックス中にＷＣ粒子が存在する構造を有することを特徴とする。

また、本発明は、上記の切削工具用の基材と、該基材の表面に形成された被覆膜とを含む表面被覆切削工具にも係わる。ここで、該被覆膜は、周期律表の４族元素（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆなど）、５族元素（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａなど）、６族元素（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗなど）、Ａｌ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成されることが好ましい。

また、該被覆膜は、一または二以上の層で形成され、そのうち該基材と接する層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒ、およびＡｌからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成されることが好ましく、また化学蒸着法により形成されることが好ましい。

本発明の切削工具用の基材は、上記の構成を有することにより、優れた強度を有するとともにその表面に形成される被覆膜との密着性に優れるという極めて優れた効果を有する。したがって、本発明の基材の表面に被覆膜が形成されてなる表面被覆切削工具は、切削加工において長寿命を達成したものとなる。

以下、本発明についてさらに詳細に説明する。
＜切削工具用の基材＞
本発明の切削工具用の基材は、超硬合金からなるものであって、該基材の表面から深さ２μｍ以内の表面領域は、ＣｏとＷとの複合炭化物からなるマトリックス中にＷＣ粒子が存在する構造を有することを特徴とする。

ここで、本発明の表面領域とは、上記の通り、該基材の表面から深さ２μｍ以内の領域をいい、その深さ（厚み）は２μｍ以内である限り特に限定されず、任意の深さ（厚み）とすることができる。ただし、後述のような効果を考慮すると、その深さ（厚み）は０．００５μｍ以上とすることが好ましい。その深さが０．００５μｍ未満であると、その効果を十分に発揮できない場合があるためである。なお、当該表面領域が２μｍを超える深さまで形成されると、基材自体の強度が低下することになる。

本発明の基材は、このような構成を備えることにより、優れた強度を有するとともにその表面に形成される被覆膜との密着性に優れるという極めて優れた効果を示す。この効果は、被覆膜との密着性に特に影響を及ぼす上記のような２μｍ以内の深さの表面領域において、ＣｏとＷとの複合炭化物からなるマトリックス中にＷＣ粒子が存在する構造を備えることによりもたらされるものである。このような構造を有する表面領域は、その詳細なメカニズムは不明ながら従来技術のη相（すなわち基材表面に形成されるＣｏとＷとの複合炭化物のみからなる層）に比し、被覆膜との密着性に優れているため、基材と被覆膜との密着性が飛躍的に向上したものとなる。

また、当該表面領域は、切削加工時等においてその表面領域のＣｏとＷとの複合炭化物からなるマトリックスで亀裂が発生したとしても、その亀裂は共存するＷＣ粒子により伝播が阻害されるため、亀裂の進展が極めて効果的に防止される。このため、耐欠損性が飛躍的に向上し、以って上記のような極めて優れた強度を有したものとなる。このような優れた強度は、特許文献１のように、単に表面領域が複合炭化物のみで構成される場合には得ることができず、複合炭化物とＷＣ粒子とを共存させることによってはじめて達成される効果である。

なお、本発明において、このような表面領域は、基材の全面に形成されていることが好ましいが、本発明の効果を奏する限り、この表面領域が形成されていない表面部分が含まれていたとしても本発明の範囲を逸脱するものではない。

ここで、本発明の表面領域における「ＣｏとＷとの複合炭化物からなるマトリックス」とは、当該複合炭化物を主成分として構成された媒質または連続層を意味する。また、該マトリックス中に「ＷＣ粒子が存在する」とは、該マトリックスがＷＣ粒子を含んでいることを意味するが、当該ＷＣ粒子はその全体が該マトリックス中に含まれる場合を含むとともに、その粒子の一部分のみが該マトリックス中に含まれるような場合をも含む概念である。

したがって、このようなＷＣ粒子の大きさは特に限定されず、通常、０．５μｍ以上１０μｍ以下の平均粒径を有したものとすることができる。なお、本発明において、ＣｏとＷとの複合炭化物とは、ＣｏとＷの両者を含む炭化物であり、たとえばＷ₆Ｃｏ₆Ｃ、Ｗ₃Ｃｏ₃Ｃ、Ｗ₄Ｃｏ₂Ｃ、Ｗ₂Ｃｏ₄Ｃ、Ｗ₉Ｃｏ₂Ｃ₄等を挙げることができる。

また、このような構成の表面領域は、当該基材の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）または走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）とエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＸ）とを組み合わせて、ＷおよびＣｏのマッピングを行なうことにより確認することができる。具体的には、ＷおよびＣｏをＥＤＸでマッピングし、Ｗのみが検出される領域をＷＣ粒子とし、ＷとＣｏの両者が検出される領域を複合炭化物とすることにより特定することができる。

なお、上記表面領域におけるＷＣ粒子の密度は、特に限定されるものではないが、たとえば基材表面の任意の法線を含む平面で基材を切断した場合の断面において、該表面領域の長さ１０μｍ当り１個以上５個以下とすることができる。一般に、この密度が１０μｍ当り１個未満になると強度が低下する傾向にあり、１０μｍ当り５個を超えると被覆膜との密着性が低下する傾向を示す。

＜超硬合金＞
本発明の切削工具用の基材は、超硬合金により構成されるものである。超硬合金としては、従来公知のものをいずれも用いることができるが、特に炭化タングステンと、鉄族元素の１種以上と、第３成分とを含む超硬合金が好ましく、該第３成分は、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ等の炭化物、窒化物、炭窒化物であることが好ましい。

ここで、鉄族元素とは、鉄、ニッケル、コバルトの総称である。また、上記第３成分の具体例としては、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴａＣ、ＴａＮ、ＴａＣＮ、ＮｂＣ、ＮｂＮ、ＮｂＣＮ、ＺｒＣ、ＺｒＮ、ＺｒＣＮ、ＶＣ、ＶＮ、ＶＣＮ、ＣｒＣ、ＣｒＮ、ＣｒＣＮ等を挙げることができる。

本発明の切削工具用の基材は、このように超硬合金により構成されるためＷＣ粒子を含んだものとなる。

＜表面被覆切削工具＞
本発明は、表面被覆切削工具にも係わり、本発明の表面被覆切削工具は、上記の切削工具用の基材と、該基材の表面に形成された被覆膜とを含むものである。

このような表面被覆切削工具としては、ドリル、エンドミル、ドリル用刃先交換型切削チップ、エンドミル用刃先交換型切削チップ、フライス加工用刃先交換型切削チップ、旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどを挙げることができる。

本発明の表面被覆切削工具において、被覆膜は基材の全面を被覆することが好ましいが、基材の一部がこの被覆膜で被覆されていなかったり、被覆膜の構成が部分的に異なっていたとしても本発明の範囲を逸脱するものではない。このような被覆膜は、一または二以上の層で形成することができる。

＜被覆膜＞
上記の被覆膜は、切削工具としての耐摩耗性や耐欠損性等の諸特性を向上させたり、使用済刃先の識別性を付与するために形成されるものである。このような被覆膜としては、この種の表面被覆切削工具の基材表面に形成される従来公知の被覆膜を特に限定することなく採用することができ、一または二以上の層で形成することができる。

このような被覆膜は、その化学組成が特に限定されるものではないが、たとえば周期律表の４族元素、５族元素、６族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成されることが好ましい。このような化合物としては、たとえばＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮＯ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＢ₂、ＴｉＯ₂、ＴｉＢＮ、ＴｉＢＮＯ、ＴｉＣＢＮ、ＺｒＣ、ＺｒＯ₂、ＨｆＣ、ＨｆＮ、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＣｒＮ、ＣｒＮ、ＶＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＡｌＴｉＣｒＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＺｒＣＮ、ＺｒＣＮＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、ＡｌＣＮ、ＺｒＮ、ＴｉＡｌＣ、ＮｂＣ、ＮｂＮ、ＮｂＣＮ、Ｍｏ₂Ｃ、ＷＣ、Ｗ₂Ｃ等を挙げることができる。

さらに、本発明の被覆膜のうち基材と接する層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒ、およびＡｌからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成されることが好ましい。このような組成の被覆膜を形成することにより、基材との密着性をさらに向上させることができる。なお、このような化合物としては、たとえばＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＡｌＮ、ＺｒＮ、ＺｒＣＮＯ、ＨｆＮ、ＨｆＣＮ、ＣｒＮ等を挙げることができる。

このような被覆膜の厚みは特に限定されないが、たとえば０．５〜４０μｍ、より好ましくは１〜３０μｍとすることができる。また、このような被覆膜は、物理蒸着（ＰＶＤ）法や化学蒸着（ＣＶＤ）法など従来公知の形成方法（成膜方法）を特に限定することなく採用することができるが、とりわけ化学蒸着法により形成することが好ましい。化学蒸着法を採用すると成膜温度が８００〜１０５０℃と比較的高く、物理蒸着法などと比較しても基材との密着性に優れるためである。

＜製造方法＞
本発明の切削工具用の基材は、既に焼結されている超硬合金からなる基材（以下単に「超硬合金基材」とも記す）をＣＶＤ装置等の反応装置のチャンバー内にセットし、高温加熱工程と低温浸炭工程とからなる複合工程を、一回以上行なうことにより製造することができる。

ここで、高温加熱工程とは、超硬合金基材に対し、圧力５０ｈＰａ〜大気圧（１０１３ｈＰａ）および温度８００〜１２００℃の下、Ａｒ、Ｈ₂、Ｎ₂、ＴｉＣｌ₄、ＣＯ等の気体を導入し、１０分間以上保持する工程をいう。この工程により、超硬合金基材の表面領域にＣｏとＷとの複合炭化物が形成されることになる。

また、低温浸炭工程とは、上記の高温加熱工程よりも低い温度で基材の表面領域に対して強制的に炭素を含んだ気体を導入する（すなわち浸炭する）工程である。具体的には、上記の高温加熱工程を経た超硬合金基材に対し、圧力５０〜４５０ｈＰａおよび温度７８０〜１０５０℃の下、Ｈ₂、ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₄、Ｃ₂Ｈ₆等の気体を合計６０Ｌ／ｍｉｎ以下の流量で導入し、１８０分間以下保持する工程をいう。この工程により、上記の高温加熱工程で表面領域に形成されたＣｏとＷとの複合炭化物の一部がＣｏとＷＣに再度分解されることにより、ＷＣ粒子の表面の一部または全部がＣｏとＷとの複合炭化物により被覆されることになる（すなわち、これにより表面領域はＣｏとＷとの複合炭化物からなるマトリックス中にＷＣ粒子が存在する構造を有したものとなる）。

このような高温加熱工程と低温浸炭工程とからなる複合工程は、一回以上行なうことができ、これにより、本発明の構成の切削工具用の基材を製造することができる。

なお、上記の低温浸炭工程において、温度を低くすればする程および／または保持時間を短くすればする程、表面領域におけるＷＣ粒子の密度は小さくなる傾向を示す。

また、このような切削工具用の基材を含む表面被覆切削工具は、上記の処理を経た基材に対し、被覆膜を形成することにより製造される。この被覆膜は、たとえば上記のようなチャンバー内に上記処理を経た基材をセットし、化学蒸着法を用いて、８００℃以上１０５０℃以下の温度で成膜することができる。

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜実施例１＞
６質量％のＣｏ、１．５質量％のＴａＣ、および残部ＷＣからなる組成（ただし不可避不純物を含む）の原料粉末を、十分に混合した後所望の形状となるようにプレス成型し、続けて真空雰囲気中において１４５０℃で１時間焼結し、その後平面研削処理および刃先稜線に対してＳｉＣブラシによる刃先処理（すくい面側からみて０．０５ｍｍ幅のホーニングを施す）を行なうことにより、形状が「ＣＮＭＧ１２０４０８Ｎ−ＧＵ」（住友電工ハードメタル（株）製）の超硬合金製チップを作製し、これを超硬合金からなる切削工具用の基材（以下「超硬合金基材」）とした。

次いで、上記のように作製した超硬合金基材を炉内にセットし、表１および表２記載の条件の高温加熱工程および低温浸炭工程を実行することにより、本発明の超硬合金からなる切削工具用の基材を作製した。

続いて、上記で得られた基材の表面に対して、基材表面側から０．８μｍのＴｉＮ層、６．５μｍのＴｉＣＮ層、１．０μｍのＴｉＣＮＯ層、３．２μｍのＡｌ₂Ｏ₃層、および１．５μｍのＺｒＮ層をこの順で形成した被覆膜を従来公知の熱ＣＶＤ法で形成することにより、基材とその表面に形成された被覆膜とを含む表面被覆切削工具を作製した。

＜実施例２〜９および比較例１〜２＞
実施例１における高温加熱工程および低温浸炭工程の条件を表１および表２記載の条件に変更することを除き、他は全て実施例１と同様にして実施例２〜９および比較例１〜２の表面被覆切削工具を得た。

なお、表１および表２中、気体の流量比は、体積比を示し、たとえば「Ｈ₂／Ａｒ＝２０／１」とは気体としてＨ₂とＡｒとを使用し、体積比でＨ₂をＡｒの２０倍の流量で投入したことを示す。また、温度が表示されているものは、その温度に加熱された時点でその気体を投入したことを示し、流量比はその気体が投入された後の体積比を示す（その気体の投入の前後においてそれ以外の気体の投入量は同一である）。また、表２において、比較例１および２は、低温浸炭工程を行なわなかったことを示す。

＜断面観察＞
上記の各実施例および比較例の切削工具用の基材（被覆膜を形成していない状態のもの）について、基材表面の任意の法線を含む平面で基材を切断し、その断面に対しＡｒイオンビームを用いてイオンエッチングを施した後、その処理断面をＥＤＸ（商品名：「ＩＮＣＡ Ｅｎｅｒｇｙ＋」、オックスフォードインストゥルメンツ社製）を備えた走査型電子顕微鏡（商品名：「ＳＵ６６００」、日立ハイテクノロジーズ社製）を用いて観察するとともにマッピングを実施することにより、表面領域におけるＷＣ粒子の密度、および被覆率を求めた。

具体的には、２００００倍の倍率の観察視野において基材表面から深さ２μｍ以内の表面領域中に長さ１００μｍの任意の直線を１本引く。そして上記マッピングによりＷＣ粒子を特定し、それが上記の直線上に何個存在するかを求めた。表面領域におけるＷＣ粒子の密度（個／１０μｍ）は、上記で求めた個数を長さ１００μｍで除して得られた数値を１０倍した値とした。なお、表面領域（複合炭化物）に対して、透過型電子顕微鏡（商品名：「ＪＥＭ２１００Ｆ」、日本電子社製）を用いて制限視野回折測定を行なったところ、実施例の表面領域は当該複合炭化物であるＷ₃Ｃｏ₃Ｃを主体として形成されていることが確認できた。一方、基材表面から２μｍを超える深さの領域では、複合炭化物を確認することはできなかった。

一方、上記直線上に存在するＷＣ粒子について、各ＷＣ粒子の外周長の合計Ａを求める。続いて、各ＷＣ粒子において複合炭化物と接している部分の外周長の合計Ｂを求める。そして、合計Ｂ／合計Ａ×１００をＷＣ粒子に対する複合炭化物の被覆率（％）とした。

以上の結果を表３に示す。表３中、「密度」の項に数値の記載があるものは、表面領域がＣｏとＷとの複合炭化物からなるマトリックス中にＷＣ粒子が存在する構造を有したものであることを示す。これに対し、数値の記載のないもの（すなわち比較例１および２）は、表面領域にＷＣ粒子が存在しないことを示している。また、「被覆率」が高いものほど、表面領域に存在するＷＣ粒子に対して、その全体が表面領域に含まれているＷＣ粒子の割合が高いことを示すものと考えられる。

＜評価＞
上記で得られた各実施例および各比較例の表面被覆切削工具について、以下に示す２種の切削試験を行なうことにより評価を行なった。その結果を以下の表３に示す。

＜切削試験１：耐摩耗性評価＞
使用ホルダ＝ＰＣＬＮＲ２５２５−４３（商品名、住友電工ハードメタル社製）、被削材＝ＳＣＭ４３５（ＨＢ＝２４５）丸棒、切削速度＝２５０ｍ／ｍｉｎ、送り量＝０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、切込み量＝２．０ｍｍ、切削油＝湿式（水溶性油）、という切削条件で切削を行ない耐摩耗性評価を行なった。クレータ摩耗の進展により切れ刃欠損が発生するまでの時間を測定した。時間が長いものほど、耐摩耗性に優れており、基材と被覆膜との密着性に優れていることを示す。

＜切削試験２：耐欠損性評価＞
使用ホルダ＝ＰＣＬＮＲ２５２５−４３（商品名、住友電工ハードメタル社製）、被削材＝ＳＣＭ４３５（ＨＢ＝２４５）角材、切削速度＝１２０ｍ／ｍｉｎ、送り量＝０．５ｍｍ／ｒｅｖ、切込み量＝２．０ｍｍ、切削時間＝１分間、切削油＝乾式、という切削条件で切削を行ない耐欠損性評価を行なった。１０切れ刃にて試験を行ない、欠損した切れ刃数を求めた。欠損した切れ刃数が少ないものほど、耐欠損性に優れており、強度が高いことを示す。

表３より明らかなように、実施例の基材は、いずれも表面から深さ２μｍ以内の表面領域がＣｏとＷとの複合炭化物からなるマトリックス中にＷＣ粒子が存在する構造を有することが確認された。また、実施例の表面被覆切削工具は、比較例の表面被覆切削工具に比較して基材と被覆膜との密着性に優れているとともに、高い強度を示すことが確認できた。これにより、本発明の表面被覆切削工具が高速加工において十分対応できることが確認できた。これは、本発明の切削工具用の基材が本発明の構成を有することにより、優れた強度を有するとともにその表面に形成される被覆膜との密着性に優れるという極めて優れた効果を有することに起因したものであることは明らかである。

以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

Claims (5)

1. 超硬合金からなる切削工具用の基材であって、
   前記基材の表面から深さ２μｍ以内の表面領域は、ＣｏとＷとの複合炭化物からなるマトリックス中にＷＣ粒子が存在する構造を有する、切削工具用の基材。
2. 請求項１に記載の切削工具用の基材と、該基材の表面に形成された被覆膜とを含む、表面被覆切削工具。
3. 前記被覆膜は、周期律表の４族元素、５族元素、６族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される、請求項２に記載の表面被覆切削工具。
4. 前記被覆膜は、一または二以上の層で形成され、そのうち前記基材と接する層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒ、およびＡｌからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される、請求項２または３に記載の表面被覆切削工具。
5. 前記被覆膜は、化学蒸着法により形成される、請求項２〜４のいずれかに記載の表面被覆切削工具。