JP2015150653A - 超硬工具 - Google Patents

Abstract

【課題】耐摩耗性と耐衝撃性に優れた超硬工具を提供する。
【解決手段】超硬工具１は、超硬合金からなる基材１０と、基材１０上に形成され、１．０μｍ以上の厚さを有する保護膜２０とを備える。保護膜２０は、各々が５００ｎｍ以下の厚さを有する１０層以上の金属酸化膜２０_１、２０_２、・・・、２０_ｎを含む。金属酸化膜２０_１、２０_２、・・・、２０_ｎの各々は、隣接する他の金属酸化膜と異なる。
【選択図】図１

Description

本発明は、超硬工具に関する。

従来、超硬合金を用いた超硬工具が知られている。超硬合金は、金属炭化物の粉末を焼結して製造される。機械的特性に特に優れる超硬合金として、炭化タングステン（ＷＣ）とコバルト（Ｃｏ）とを主成分とするＷＣ−Ｃｏ系超硬合金が知られている。また、超硬合金の表面に物理蒸着又は化学蒸着によって保護膜を形成し、耐摩耗性及び潤滑性を向上させた超硬工具が知られている。

超硬工具は、高硬度材料の加工に用いられる。高硬度材料は例えば、マルテンサイト系ステンレス鋼管、オーステナイト系ステンレス鋼管、二相系ステンレス鋼管等の高合金管である。超硬工具は例えば、これらの管のネジ切削加工に用いられるチェザー、抽伸加工に用いられるプラグ、切削加工に用いられるチップ等である。

特許４７２１２８１号公報には、耐酸化性皮膜が開示されている。この耐酸化性皮膜において、基材表面に被覆する皮膜の少なくとも１層は、金属成分としてＡｌとＮｂを含有する窒化物、炭化物、硼化物、酸化物、硫化物から選択される１種若しくは２種以上である。該耐酸化性皮膜は、金属成分の総和に対する原子比で、Ａｌ含有量が０．５１〜０．９５及びＮｂ含有量が０．０５〜０．４９であり、該耐酸化性皮膜のＸ線回折における回折ピークのうち、面心立方構造の（１１１）又は（２００）ピークの半価幅が１度以上であり、該耐酸化性皮膜の破断面組織は粒状、ブロック状又は明確に粒界が認められない組織の何れかである。

特許４７２１２８１号公報

上記の特許文献に記載された耐酸化性皮膜は、膜厚を厚くしても、外部からの機械衝撃又は熱衝撃によって膜剥離、チッピング等の早期破壊が起こる場合がある。

本発明の目的は、耐摩耗性と耐衝撃性に優れた超硬工具を提供することである。

本発明の一実施形態による超硬工具は、超硬合金からなる基材と、基材上に形成され、１．０μｍ以上の厚さを有する保護膜とを備える。保護膜は、各々が５００ｎｍ以下の厚さを有する１０層以上の金属酸化膜を含む。金属酸化膜の各々は、隣接する他の金属酸化膜と異なる。

本発明によれば、耐摩耗性と耐衝撃性に優れた超硬工具が得られる。

図１は、本発明の一実施形態による超硬工具の表面の構成を模式的に示す断面図である。 図２は、レーザーデポジション法による成膜装置の概略構成を示す概念図である。 図３は、本発明の一実施形態による超硬工具と、比較例の超硬工具の、ナノ硬度の深さ方向のプロファイルである。

本発明者は、超硬工具の性能を向上させる方法を検討した。

金属酸化膜は金属窒化膜と比較して、熱的安定性、特に高温での耐酸化性に優れている。したがって、金属窒化膜に代えて、金属酸化膜を保護膜として用いることが好ましい。

従来の超硬工具において早期破壊が起こるのは、外部からの機械衝撃又は熱衝撃によって一旦内部亀裂が発生すると、破壊基点から亀裂が成膜層全体に伸展するためと考えられた。本発明者は、ナノオーダーの薄膜を多数積層させることによって、破壊伝播を律速させるという着想を得た。

本発明者は、上記の着想に基づいて種々の実験を行い、本発明を完成させた。以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

図１は、本発明の一実施形態による超硬工具１の表面の構成を模式的に示す断面図である。超硬工具１は、超硬合金からなる基材１０と、基材１０上に形成された保護膜２０とを備えている。

基材１０は、超硬合金からなる。超硬合金は、元素周期率表のＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族元素の炭化物、窒化物及び／又は炭窒化物（ＷＣ，ＴｉＣ，ＮｂＣ，ＴｉＣＮ，ＴａＮ，ＶＣ）等の硬質の粒子が、鉄族金属（Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ）を結合材として結合された焼結体である。超硬合金の中でも、炭化タングステン（ＷＣ）及びコバルト（Ｃｏ）を主成分とするＷＣ−Ｃｏ系超硬合金が好適に用いられる。

保護膜２０は、ｎ層の金属酸化膜２０_１、２０_２、・・・、２０_ｎを含んでいる。金属酸化膜２０_１、２０_２、・・・、２０_ｎは、基材１０側から、この順番で積層されている。すなわち、金属酸化膜２０_１は最も基材側に位置する金属酸化膜であり、金属酸化膜２０_ｎは最も外側に位置する金属酸化膜である。

金属酸化膜２０_１、２０_２、・・・、２０_ｎの各々は、隣接する他の金属酸化膜と異なる金属酸化膜である。すなわち、ｋを２からｎの整数として、金属酸化膜２０_ｋは、金属酸化膜２０_ｋ−１と異なる金属酸化膜である。換言すれば、金属酸化膜２０_１、２０_２、・・・、２０_ｎは、同じ金属酸化膜が連続しないように積層されている。

金属酸化膜は例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、及び酸化チタン（ＴｉＯ_２）等から選択される。金属酸化膜は、耐酸化性に優れている。より具体的には、金属窒化膜は概ね１０００℃以下で酸化されるのに対して、金属酸化膜は１０００〜１２００℃での使用にも耐え得る。

上述のように、金属酸化膜２０_１、２０_２、・・・、２０_ｎは、同じ金属酸化膜が連続しないように積層されている。したがって、金属酸化膜２０_１、２０_２、・・・、２０_ｎは、少なくとも２種の金属酸化膜を含んでいる。金属酸化膜２０_１、２０_２、・・・、２０_ｎは、３種以上の金属酸化膜を含んでいても良い。金属酸化膜２０_１、２０_２、・・・、２０_ｎは、ｎ種の金属酸化膜を含んでいても良い。すなわち、金属酸化膜２０_１、２０_２、・・・、２０_ｎのすべてが互いに異なる金属酸化膜であっても良い。

金属酸化膜２０_ｎ、すなわち金属酸化膜２０_１、２０_２、・・・、２０_ｎのうち最も外側に位置する金属酸化膜は、酸化アルミニウムであることが好ましい。換言すれば、超硬工具１の最表層は酸化アルミニウムであることが好ましい。酸化アルミニウムは、金属酸化膜の中でも、特に潤滑性に優れている。最表層が酸化アルミニウムの超硬工具１が被削材と接触すると、被削材の一部が超硬工具１の表面に付着し、いわゆる構成刃先が形成される。構成刃先は、超硬工具の寿命を大幅に延長する。

金属酸化膜２０_１、２０_２、・・・、２０_ｎの各々は、単一の金属酸化膜であることが好ましい。換言すれば、金属酸化膜２０_１、２０_２、・・・、２０_ｎの各々は、複合金属酸化膜ではないことが好ましい。複合金属酸化膜は、六方晶と立方晶とが混在するので、安定に形成することが難しい。金属酸化膜２０_１、２０_２、・・・、２０_ｎの各々を単一の金属酸化膜にすることで、複合金属酸化膜の場合と比較してより安定な層を形成することができる。

本実施形態では、多数の金属酸化膜の薄膜を積層させて保護膜２０を形成することによって、保護膜２０の耐衝撃性を高める。すなわち、外部からの機械衝撃又は熱衝撃によって内部に亀裂が発生しても、金属酸化膜２０_１、２０_２、・・・、２０_ｎの界面で破壊伝播を止めることができる。界面の数が多いほど、すなわち、金属酸化膜２０_１、２０_２、・・・、２０_ｎの層数が多いほど、破壊伝播を抑制しやすくなる。

金属酸化膜２０_１、２０_２、・・・、２０_ｎの層数、すなわちｎの値は、１０以上である。ｎの値が小さすぎると、耐衝撃性を高める効果が十分に得られない。ｎは、好ましくは１５以上、より好ましくは２０以上である。一方、ｎの値が大きすぎると、保護膜２０と基材１０との密着性が低下する。ｎは、好ましくは３０以下、より好ましくは２５以下、さらに好ましくは２１以下である。

金属酸化膜２０_１、２０_２、・・・、２０_ｎの各々の厚さは、５００ｎｍ以下である。金属酸化膜２０_１、２０_２、・・・、２０_ｎの各々が厚すぎると、保護膜２０における界面の密度が低下する。そのため、界面で破壊伝播を止めたとしても、耐衝撃性を高める効果が十分に得られない。金属酸化膜２０_１、２０_２、・・・、２０_ｎの各々の厚さは、好ましくは３００ｎｍ以下であり、より好ましくは２００ｎｍ以下であり、さらに好ましくは１００ｎｍ以下である。

一方、金属酸化膜２０_１、２０_２、・・・、２０_ｎの各々が薄すぎると、安定な膜を形成することが難しくなるため、やはり耐衝撃性が低下する。金属酸化膜２０_１、２０_２、・・・、２０_ｎの各々の厚さは、好ましくは１０ｎｍ以上であり、より好ましくは２０ｎｍ以上であり、さらに好ましくは３０ｎｍ以上である。金属酸化膜２０_１、２０_２、・・・、２０_ｎの各々の厚さの下限は、金属酸化膜によって異なる。例えば酸化アルミニウムのように緻密な膜を形成することができる金属酸化膜の場合には、他の金属酸化膜と比較して１層あたりの厚さを薄くすることができる。

金属酸化膜が酸化アルミニウムの場合、１層あたりの好ましい厚さは、３０〜５０ｎｍである。金属酸化膜が酸化ジルコニウムの場合、１層あたりの好ましい厚さは、５０〜１００ｎｍである。

金属酸化膜２０_１、２０_２、・・・、２０_ｎの厚さは、すべてが同じでも良く、一部が異なっていても良く、すべてが異なっていても良い。

保護膜２０の厚さ、すなわち金属酸化膜２０_１、２０_２、・・・、２０_ｎの合計の厚さは、１μｍ以上である。保護膜２０が薄すぎると、保護膜２０が早期に剥離する。保護膜２０の厚さは、好ましくは１．２μｍ以上、より好ましくは１．５μｍ以上である。一方、保護膜２０が厚すぎると、保護膜２０と基材１０との接着界面に過度の剪断応力が負荷されるため、密着性が低下する。保護膜２０の厚さは、好ましくは５．０μｍ以下、より好ましくは３．０μｍ以下である。

［超硬工具１の製造方法］
以下、超硬工具１の製造方法の一例を説明する。

まず、基材１０を準備する。基材１０は、例えば、次のように製造される。まず、ＷＣとＣｏの微粉末を混合する。混合した粉末を、超硬工具１の形状に冷間プレス成型（圧粉成形）する。成型体を大気中で１０００℃程度で焼成する。焼成体を、真空中で１４００℃程度で焼結する。

次に、基材１０上に保護膜２０を形成する。保護膜２０は例えば、以下に説明するレーザーデポジション法によって形成することができる。

図２は、レーザーデポジション法による成膜装置Ａの概略構成を示す概念図である。成膜装置Ａは、レーザー発振器Ｌと、ステージＳと、ターゲットＴ１及びＴ２とを備えている。レーザー発振器Ｌは例えば、ＹＡＧレーザー又はエキシマレーザーである。ターゲットＴ１及びＴ２は、金属酸化物の焼結体である。

基材１０はステージＳの上に配置される。ステージＳ、基材１０、並びにターゲットＴ１及びＴ２は、図示しないチャンバーに収容される。チャンバー内は、高真空に排気される。

成膜装置Ａは、レーザー発振器ＬからレーザーをターゲットＴ１又はＴ２に照射にしてクラスターイオンを励起し、励起させたクラスターイオンを基材１０上に堆積させる。これによって、ターゲットＴ１又はＴ２と同じ組成の金属酸化膜を基材１０上に形成することができる。

ステージＳは成膜中、水平面内で回転するように構成されている。これによって、基材１０上に均一な金属酸化膜を形成することができる。

本実施形態では、レーザーの照射先をターゲットＴ１とターゲットＴ２との間で一定時間ごとに切り替える。これによって、基材１０上に、ターゲットＴ１と同じ組成の金属酸化膜と、ターゲットＴ２と同じ組成の金属酸化膜とを、交互に積層させることができる。

なお、レーザーの照射方向を一定時間ごとに切り替える構成に代えて、レーザーの照射方向は一定とし、ターゲットＴ１及びＴ２を一定時間ごとに移動させる構成としても良い。あるいは、ターゲットＴ１及びＴ２の両方にレーザーを照射しておき、クラスターイオンを遮るシャッタを一定時間ごとに切り替える構成としても良い。

図２では、成膜装置Ａが２つのターゲットＴ１及びＴ２を備えている場合を説明した。しかし、成膜装置Ａは、３つ以上のターゲットを備えていても良い。また、各ターゲットにレーザーを照射する時間は、すべて同じでも良いし、それぞれ異なっていても良い。

レーザーデポジション法によれば、基材１０を高温にする必要がない。そのため、熱応力によって基材１０に発生する歪を小さくすることができる。したがって、保護膜２０は、レーザーデポジション法によって製造することが好ましい。しかし、保護膜２０は、レーザーデポジション法以外の方法、例えば、ＣＶＤ法等によって製造しても良い。

以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明する。なお、この実施例は本発明を限定するものではない。

ＷＣ及びＣｏを主成分とする超硬合金の基材上に、レーザーデポジション法によって金属酸化膜で構成された保護膜を形成した。基材は、ビッカース硬度が１８００〜２０００（１．０ｋｇｆ荷重時）、表面粗さが０．１０以下のものを使用した。レーザー発振器は波長２６６ｎｍのＹＡＧレーザーを使用した。ターゲットは、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、及び酸化チタンの焼結体（それぞれ径３０ｍｍ×厚さ１０ｍｍ）から２種を選択して使用した。

金属酸化膜の１層あたりの厚さ、積層数、金属酸化膜の種類等を変えながら、複数の超硬工具を製造した。

比較例として、超硬合金の基材上に、窒化チタンと窒化アルミニウムの複合金属窒化物の保護膜（ＴｉＡｌＮ）をアークイオンプレーティング法によって形成した超硬工具を製造した。

［ナノ硬度測定］
製造した各超硬工具の保護膜のナノ硬度を測定した。具体的には、Ａｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社製ナノインデンター、ＸＰ／ＤＣＭ型を用いて測定した。測定の際、ダイアモンド製のバーコビッチ型針を保護膜の表面から連続剛性方式（ＣＳＭ式）で押し込んだ。このとき、連続剛性方式の条件は、振動数を４５Ｈｚ、振幅を２ｎｍ、押し込み深さを１，０００ｎｍとし、測定雰囲気を室温に設定した。最表層から深さ８００ｎｍの位置のナノ硬度が２５ＧＰａ以上となることを目標とした。

［摩擦係数測定］
製造した各超硬工具の摩擦係数を測定した。具体的には、バウデン式滑り試験機を使用し、荷重５Ｎ、室温、速度４ｍｍ／秒で直径５ｍｍの高炭素クロム鋼軸受材料、例えば、ＳＵＪ２製の鋼球を摺動させて測定した。摩擦係数が０．５０以下になることを目標とした。

［密着力測定］
保護膜を製膜した超硬工具のそれぞれの密着力Ｆ（Ｎ）を測定した。具体的には、ＣＳＥＭ社製Ｒｅｖｅｔｅｓｔ型スクラッチ式試験機を使用し、外径０．２ｍｍ、先端角１２０°のダイアモンド針を、走査速度１０ｍｍ／分、荷重速度１００Ｎ／分、最大荷重１０５Ｎで走査し、下地が露出した時点（光学顕微鏡で判別）又は先端針が異常機械震動（ＡＥ信号）を検知した時点の荷重値を密着力とした。

［切削試験］
同一の被削体の切削加工を連続して繰り返し、保護膜の剥離が発生するまでの切削回数を調査した。被削体として、径１００ｍｍ、ビッカース硬度Ｈｖ０．３＝２５０の炭素鋼を使用した。工具は、□１２．７×１２．７×厚４．８ｍｍの正方形ネガ型チップ工具とした。切削条件は、被削体回転速度；２００ｍ／分、切り込み量；１ｍｍ／パス・回、工具送り量；０．５ｍｍ／回転とした。剥離が発生するまでの切削回数が、５０回以下の場合を早期剥離とした。

［測定結果］
測定結果を表１に示す。

表１に示すように、番号１〜１０の超硬工具では、保護膜として、酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムとを交互に積層した。番号１１の超硬工具では、保護膜として、酸化アルミニウムと酸化チタンとを交互に積層した。試験番号１２の超硬工具では、保護膜として、酸化アルミニウムと酸化マグネシウムとを交互に積層した。なお、すべての試験番号の超硬工具において、上記の膜に加えて、最表層に厚さ５０μｍの酸化アルミニウムを形成した。

なお、表１の「密着力」の欄には、基材と保護膜との密着力が１００Ｎ以上の場合「○」、８０Ｎ以上１００Ｎ未満の場合「△」と記載されている。

図３は、番号２の超硬工具と、比較例の超硬工具（ＴｉＡｌＮの保護膜を形成した超硬工具）の、ナノ硬度の深さ方向のプロファイルである。Ｐ１は番号２の超硬工具のプロファイルであり、Ｐ２は比較例の超硬工具のプロファイルである。

図３に示すように、比較例の超硬工具は、表面から２００ｎｍ程度の深さでは３０ＧＰａ程度のナノ硬度を示しているが、２００ｎｍよりも深い位置からナノ硬度が低下し、深さ８００ｎｍの位置でのナノ硬度は２５ＧＰａ未満となっている。これに対して、番号２の超硬工具は、表面から深さが２００μｍ以上の位置でも、ナノ硬度が低下しない。

再び表１を参照して、説明を続ける。表１に示すように、番号１〜３、５、６、及び８〜１２の超硬工具は、ナノ硬度が２５ＧＰａ以上であり、早期剥離も発生しなかった。

番号４及び７の超硬工具は、早期剥離が発生した。これは、番号４及び７の超硬工具は、保護膜の厚さが１．０μｍ未満であったためと考えられる。

なお、番号１〜３、６、８、及び１０〜１２の超硬工具は、金属酸化膜の各々の厚さが３０μｍ以上、保護膜の層数が２０層以上、かつ保護膜の厚さが１．０μｍ以上であった。番号１〜３、６、８、及び１０〜１２の超硬工具は、ナノ硬度が３５ＧＰａ以上であった。

番号６及び８の超硬工具は、ナノ硬度が３５ＧＰａ以上であり、早期剥離も発生しなかったが、摩擦係数がやや大きかった。これは、金属酸化膜（酸化アルミニウム膜又は酸化ジルコニウム膜）の１層当たりの厚さが厚かったためと考えられる。

番号１０の超硬工具は、ナノ硬度が３５ＧＰａ以上であり、早期剥離も発生しなかったが、密着力がやや劣っていた。これは、保護膜全体の層数が多かったためと考えられる。

Claims (4)

1. 超硬合金からなる基材と、
   前記基材上に形成され、１．０μｍ以上の厚さを有する保護膜とを備え、
   前記保護膜は、各々が５００ｎｍ以下の厚さを有する１０層以上の金属酸化膜を含み、
   前記金属酸化膜の各々は、隣接する他の金属酸化膜と異なる、超硬工具。
2. 請求項１に記載の超硬工具であって、
   前記金属酸化膜の各々は、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、及び酸化チタンからなる群から選択された１種からなる、超硬工具。
3. 請求項１又は２に記載の超硬工具であって、
   前記金属酸化膜のうち最も外側に位置する金属酸化膜は、酸化アルミニウムからなる、超硬工具。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の超硬工具であって、
   前記金属酸化膜の層数は、２１層以下である、超硬工具。

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