JP2015182155A - 断続切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】ステンレス鋼のフライス加工等の断続切削加工で、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具を提供する。
【解決手段】工具基体表面に、少なくとも、ＴｉＣ層とＷＣ層との交互積層構造からなる平均層厚２〜１０μｍの硬質被覆層を蒸着形成し、あるいは、上部層として平均層厚０．５〜１．０μｍの酸化アルミニウム層をさらに蒸着形成し、ＴｉＣ層とＷＣ層は、いずれも一層層厚が０．５〜１．０μｍであって、また、工具基体表面直上のＴｉＣ層には、工具基体表面との界面からＴｉＣ層の内部深さ０．２μｍまでの範囲において、５〜１０原子％の平均Ｃｏ含有量のＣｏ含有領域が形成されている。
【選択図】なし

Description

この発明は、工具基体表面に、交互積層からなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具に関し、特に、鋼やステンレス鋼のフライス加工等の厳しい切削条件においても、すぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具（以下、被覆工具という）に関するものである。

従来、一般に、炭化タングステン基（以下、ＷＣ基で示す）超硬合金または炭窒化チタン基（以下、ＴｉＣＮ基で示す）サーメットで構成された基体（以下、これらを総称して工具基体という）の表面に、少なくとも、Ｔｉ化合物層と酸化アルミニウム層からなる硬質被覆層を蒸着形成した被覆工具が知られており、そしてこの被覆工具は、通常条件の切削加工ではすぐれた耐摩耗性を発揮することが知られている。
しかし、この被覆工具を、重切削、断続切削等に用いた場合には、切れ刃に作用する高負荷によって、チッピング等の異常損傷が発生しやすくなる。
そこで、耐チッピング性、耐摩耗性を改善するために、数多くの提案がなされている。

例えば、引用文献１には、ＷＣ基超硬合金からなる工具基体の表面に、ＴｉＣＮの単層または２層以上の積層からなる下部層と、ＴｉＣ，ＴｉＮ，ＴｉＣＮ，ＴｉＣＯ、およびＴｉＣＮＯ、並びにＡｌ_２Ｏ_３のうちの１種の単層または２種以上の複層からなる上部層で構成された硬質被覆層を形成するに際して、上記下部層の構成層のいずれもが、（ａ）粒状結晶組織から縦長成長結晶組織へ変る結晶構造、（ｂ）粒状結晶組織から縦長成長結晶組織へ、さらにこの縦長成長結晶組織から粒状結晶組織へ変る結晶構造、（ｃ）縦長成長結晶組織から粒状結晶組織へ変る結晶構造のうちのいずれか、または２種以上の結晶構造からなると硬質被覆層の組織構造を規定することによって、耐チッピング性の向上を図ることが提案されている。

また、例えば、引用文献２には、工具基体の表面に、（ａ） 下部層として、窒化チタン層及び縦長成長結晶組織を有する炭化チタン層、（ｂ）密着性層として、微粒縦長成長結晶組織を有する炭化チタン層、（ｃ）中間層として、上記密着性層に隣接して形成された縦長成長結晶組織を有する炭窒化チタン層、及び、炭窒化チタン層に挟まれた状態で存在し、かつ、微粒縦長成長結晶組織を有する少なくとも一層または複数層の炭化チタン層を含むＴｉ化合物層、（ｄ）上部層として、酸化アルミニウム層、上記（ａ）〜（ｄ）で構成された硬質被覆層を１５〜３０μｍの全体平均層厚で形成することによって、高速高送り切削加工における硬質被覆層の耐摩耗性を改善することが提案されている。

特開平６−８０１０号公報 特開２０１０−２０７９３０号公報

近年の切削装置の高性能化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴い、切削加工は一段と過酷な条件下で行われる傾向にあるが、上記の従来被覆工具においては、これを各種鋼、ステンレス鋼等の通常条件の切削加工に用いた場合には問題はないが、特にこれを、断続的・衝撃的な高負荷が切刃部に作用する高速高送りの断続切削加工に用いた場合には、チッピング、欠損等が発生しやすく、これらを原因として比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、断続的・衝撃的な高負荷が切刃部に作用する断続切削加工、例えば、ステンレス鋼の高速高送りのフライス加工に用いた場合でも、チッピングの発生を抑制し、すぐれた耐摩耗性を長期にわたって発揮する硬質被覆層の構造について鋭意研究を行ったところ、以下の知見を得た。

チッピング発生の原因はいくつかあるが、本発明者は、硬質皮膜層におけるクーリングクラックの存在に着眼し、硬質被覆層の下部層を構成するＴｉ化合物層におけるクーリングクラックを低減することによって、耐チッピング性を向上させることができること、一方、これによって生じる耐摩耗性の低下は、下部層を交互積層構造として構成することによって抑制し、さらに、工具基体直上のＴｉ化合物層を強靭化することによって補えることを見出したのである。

より具体的に言えば、化学蒸着法によって硬質被覆層を蒸着形成するに際し、下部層を０．５〜１μｍのＴｉＣ層と、０．５〜１．０μｍのＷＣ層の交互積層構造として構成するとともに、成膜後、熱処理を行うことによって、工具基体の成分であるＣｏを工具基体直上のＴｉＣ層(交互積層の第一層目のＴｉＣ層)中に拡散させ、所定のＣｏ濃度とすることによって、ＴｉＣ層(交互積層の第一層目のＴｉＣ層)を強靭化し得ることを見出したのである。

そして、上記の層構造を有する本発明の被覆工具は、硬質被覆層中のクーリングクラックが極めて少ないこと、また、硬質被覆層の下部層は、ＴｉＣ層とＷＣ層との交互積層として構成されていることによって耐摩耗性の低下はなく、さらに、成膜後の熱処理によって、工具基体と硬質被覆層の下部層は、すぐれた付着強度を有し、かつ、下部層自体も強靭化されていることにより、切刃部に断続的・衝撃的な高負荷が作用する断続切削加工に供した場合でも、チッピングが発生することはなく、長期の使用にわたって、すぐれた耐摩耗性を発揮するものである。

この発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「（１） 炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成された工具基体の表面に、平均層厚２〜１０μｍの硬質被覆層を化学蒸着で形成してなる表面被覆切削工具において、
（ａ）前記硬質被覆層は、０．５〜１．０μｍのチタン炭化物層と０．５〜１．０μｍのタングステン炭化物層との交互積層構造からなり、
（ｂ）前記交互積層を構成する工具基体表面直上のチタン炭化物層には、工具基体表面との界面から該チタン炭化物層の内部深さ０．２μｍまでの範囲において、５〜１０原子％の平均Ｃｏ含有量のＣｏ含有領域が形成されてい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、上部層として、平均層厚０．５〜１．０μｍの酸化アルミニウム層が蒸着形成されていることを特徴とする（１）に記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。

以下に、この発明の被覆工具の硬質被覆層の構成層に関し、詳細に説明する。

硬質被覆層は、チタン炭化物（以下、「ＴｉＣ」で示す。）層とタングステン炭化物(以下、「ＷＣ」で示す。)層の交互積層構造として蒸着形成する。
化学蒸着法によりＴｉ化合物層を蒸着する場合、通常、室温まで冷却する過程で、工具基体と蒸着膜との熱膨張差を原因として、Ｔｉ化合物層にクーリングクラックが発生し、これがチッピング発生の起点となることがあるが、本発明によれば、ＴｉＣ層及びＷＣ層の化学蒸着による成膜厚さを１μｍ以下とした場合には、化学蒸着後の冷却によるクーリングクラックの発生は認められないことから、ＴｉＣ層及びＷＣ層それぞれの一層層厚を、１μｍ以下とすることによって、クーリングクラックのない膜を形成し、耐チッピング性を向上させることができる。

ただ、ＴｉＣの層厚が１．０μｍを超えた場合には、前記のとおり層中にクーリングクラックが発生することからＴｉＣ層の一層層厚は、１．０μｍとするが、ＴｉＣの層厚が０．５μｍ未満となると、耐摩耗性向上効果を期待することはできないことから、ＴｉＣ層の一層層厚は、０．５〜１．０μｍとする。
しかし、ＴｉＣ層が一層のみで層厚が０．５〜１．０μｍであると、硬質被覆層厚が薄いために所望の耐摩耗性を得ることができない。
そこで、ＷＣ層との交互積層構造を構成することによって、クーリングクラックを発生させずに硬質被覆層全体の層厚を厚くすることが可能となり、所望の耐摩耗性を確保することができる。
この場合、ＷＣ層の一層層厚が０．５μｍ未満であると、ＴｉＣ層に発生するクーリングクラックを抑制することができず、一方、ＷＣ層の一層層厚が１．０μｍを超えると、ＴｉＣより硬さの低いＷＣ層が全膜中に占める割合が大きくなることから耐摩耗性が低下するようになるので、ＷＣ層の一層層厚は０．５〜１．０μｍと定めた。
なお、ＷＣ層は、ＴｉＣ層に比して熱伝導性が優れるため、切削加工時の発熱の放散効果があるため、より一層耐摩耗性向上に寄与することとなる。
上記のとおり、各層の一層層厚を定めることによって、クーリングクラックのない硬質被覆層を蒸着形成することができる。

本発明では、前記のとおり、ＴｉＣ層とＷＣ層との交互積層により硬質被覆層を構成するが、硬質被覆層の平均層厚が２μｍ未満では、耐摩耗性の向上は望めず、一方、硬質被覆層の平均層厚が１０μｍを超えると、切刃部に高負荷が作用する断続切削加工では、チッピング、欠損等が発生しやすくなるので、硬質被覆層の平均層厚は２〜１０μｍと定めた。

本発明におけるＴｉＣ層は、例えば、以下の方法で形成することができる。
即ち、通常の化学蒸着装置を使用して、
反応ガス組成（容量％）：ＴｉＣｌ_４ １〜３％、ＣＨ_４ ０．５〜１．５％、Ｈ_２ 残り、
反応雰囲気温度：９００〜９５０℃、
反応雰囲気圧力：２６〜４０ｋＰａ
の条件で化学蒸着することによって、クーリングクラックのない柱状結晶組織を有するＴｉＣ層を蒸着形成することができる。

また、本発明におけるＷＣ層は、例えば、以下の方法で形成することができる。
即ち、通常の化学蒸着装置を使用して、
反応ガス組成（容量％）：ＷＦ_６ ０．５〜５％、Ｃ_６Ｈ_６ ０．５〜１０％、Ｈ_２ １０〜３５％、Ａｒ：残り、
反応雰囲気温度：５００〜９００℃、
反応雰囲気圧力：５〜３０ｋＰａ、
の条件で化学蒸着することによって、クーリングクラックのないＷＣ層を蒸着形成することができる。

前記蒸着条件で、ＴｉＣ層及びＷＣ層の交互積層からなる硬質被覆層を蒸着形成して、クーリングクラックのない硬質被覆層を得た後、反応雰囲気： Ｈ_２、 反応雰囲気圧力： ２６〜４０ｋＰａの熱処理炉中で、反応温度：１０５０〜１１００℃、反応時間：３０〜８０分の熱処理を施すことによって、工具基体の構成成分元素であるＣｏを、工具基体表面直上のＴｉＣ層(交互積層の第一層目のＴｉＣ層)中に拡散させ、該ＴｉＣ層の強靭化を図ることができる。
第一層目のＴｉＣ層中に拡散したＣｏは、主として、ＴｉＣ結晶粒界に濃化し、粒界強度の向上に寄与し、工具基体表面直上のＴｉＣ層の強靭化が図られる。
第一層目のＴｉＣ層中に拡散したＣｏの濃度は、オージェ電子分光分析により測定することができるが、工具基体表面と交互積層の第一層目のＴｉＣ層との界面から、ＴｉＣ層の深さ０．２μｍまでの範囲における平均Ｃｏ含有量が５〜１０原子％の場合に、ＴｉＣ層の強靭化が図られる。
第一層目のＴｉＣ層の深さ０．２μｍまでの範囲における平均Ｃｏ含有量が５原子％未満である場合には、所望の強靭化効果を期待することはできず、一方、平均Ｃｏ含有量が１０原子％を超えると、ＴｉＣ層の耐摩耗性が低下することから、工具基体表面と交互積層の第一層目のＴｉＣ層との界面から、ＴｉＣ層の深さ０．２μｍまでの範囲における平均Ｃｏ含有量は５〜１０原子％とすることが必要である。
このためには、工具基体中のＣｏ成分含有量ばかりか、前記熱処理条件（特に、熱処理温度、熱処理時間）の管理が必要である。

本発明では、硬質被覆層を、前記ＴｉＣ層とＷＣ層との交互積層構造として構成したが、必要に応じ、前記硬質被覆層の表面に、上部層として、平均層厚０．５〜１．０μｍの酸化アルミニウム層を蒸着形成することもできる。
上部層としての酸化アルミニウム層は、すぐれた高温硬さと耐熱性を備えることから、上部層を形成することにより、一段とすぐれた耐摩耗性が発揮される。
ただ、酸化アルミニウム層の平均層厚が０．５μｍ未満では、耐摩耗性の向上効果は少なく、一方、酸化アルミニウム層の平均層厚が１．０μｍを超えると、切刃部に高負荷が作用する断続切削加工では、チッピング、欠損等が発生しやすくなるので、上部層としての酸化アルミニウム層の平均層厚は０．５〜１．０μｍとすることが望ましい。

この発明の被覆工具は、工具基体表面に、所定の一層層厚を有するＴｉＣ層とＷＣ層が交互積層されて、２〜１０μｍの平均層厚を有する硬質被覆層が構成され、該硬質被覆層にはクーリングクラックがなく、さらに、工具基体表面直上の第一層のＴｉＣ層には、所定量のＣｏが含有されて強靭化されていることから、切刃部に高負荷が作用する断続切削加工に供された場合であっても、チッピング、欠損等を発生することはなく、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するものである。
また、硬質被覆層表面に、０．５〜１．０μｍの平均層厚の酸化アルミニウム層を上部層としてさらに蒸着形成した場合には、一段とすぐれた耐摩耗性を発揮するものである。

つぎに、この発明の被覆工具を実施例により具体的に説明する。

原料粉末として、いずれも１〜３μｍの平均粒径を有するＷＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＺｒＣ粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ₃Ｃ₂粉末、ＴｉＮ粉末、およびＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を、表１に示される配合組成に配合し、さらにワックスを加えてアセトン中で２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を５Ｐａの真空中、１３７０〜１４７０℃の範囲内の所定の温度に１時間保持の条件で真空焼結し、焼結後、切刃部にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ規格・ＳＰＭＮ１２０３０８に規定するインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ〜Ｃをそれぞれ製造した。

また、原料粉末として、いずれも０．５〜２μｍの平均粒径を有するＴｉＣＮ（質量比で、ＴｉＣ／ＴｉＮ＝５０／５０）粉末、Ｍｏ₂ Ｃ粉末、ＺｒＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、およびＮｉ粉末を用意し、これら原料粉末を、表２に示される配合組成に配合し、ボールミルで２４時間湿式混合し、乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を１．３ｋＰａの窒素雰囲気中、温度：１５４０℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ規格・ＳＰＭＮ１２０３０８のチップ形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体ａ、ｂを形成した。

（ａ） ついで、これらの工具基体Ａ〜Ｃおよび工具基体ａ、ｂのそれぞれを、通常の化学蒸着装置に装入し、表３に示される条件にて、表６に示される一層目標層厚のＴｉＣ層を蒸着形成する。
（ｂ） ついで、同じく表４に示される条件にて、表６に示される一層目標層厚のＷＣ層を蒸着形成する。
（ｃ） 上記ＴｉＣ層及びＷＣ層の蒸着形成を、表６に示す目標平均層厚になるまで交互に繰り返し行い、表６に示す目標平均層厚の硬質被覆層を形成する。
なお、いくつかのものについては、さらに、表６に示す目標平均層厚になるように酸化アルミニウム層を上部層として蒸着形成する。
（ｄ） 次いで、上記硬質被覆層を形成した被覆工具（酸化アルミニウム層を上部層として形成したものを含む）を、表５に示す条件で熱処理して、交互積層の第一層であるＴｉＣ層にＣｏを拡散含有させた。
上記工程（ａ）〜（ｄ）によって、表６に示す本発明の被覆工具（以下、本発明被覆工具という）１〜１３を作製した。

また、比較の目的で、前記工具基体に対して、表３に示される条件にて、表７に示される一層目標層厚のＴｉＣ層を蒸着形成し、ついで、表４に示される条件にて、表７に示される一層目標層厚のＷＣ層を蒸着形成し、ＴｉＣ層及びＷＣ層の蒸着形成を、表７に示す目標平均層厚になるまで交互に繰り返し行い、いくつかのものについては、さらに、表７に示す目標平均層厚になるように酸化アルミニウム層を上部層として蒸着形成し、ついで、表５に示す条件で熱処理を行い、あるいは、行わずに、表７に示す比較例の被覆工具（以下、比較例被覆工具という）１〜１３を作製した。

ついで、上記の本発明被覆工具１〜１３および比較例被覆工具１〜１３の工具基体表面直上のＴｉＣ層について、界面からＴｉＣ層の内部深さ０．２μｍまでの範囲において、オージェ電子分光分析器を用いて、複数箇所（１０箇所）におけるＣｏ成分の濃度を測定し、得られた複数の測定値（１０箇所の測定値）を平均することによって、平均Ｃｏ含有割合を求めた。
表６、表７に、平均Ｃｏ含有割合（原子％）の値を示す。

また、上記の本発明被覆工具１〜１３および比較例被覆工具１〜１３の硬質被覆層を構成するＴｉＣ層、ＷＣ層あるいはさらに酸化アルミニウム層について、その平均層厚を走査型電子顕微鏡を用いて測定（縦断面測定）したところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ平均層厚（５点測定の平均値）を示した。

つぎに、上記の本発明被覆工具１〜１３および比較例被覆工具１〜１３を、いずれも工具鋼製バイトの先端部に固定治具にてネジ止めした状態で、以下の切削条件Ａ、Ｂにより、単刃での乾式高速ミーリング切削加工試験を実施し、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。

≪切削条件Ａ≫
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０のブロック材
切削速度：４００ｍ／ｍｉｎ（通常の切削速度は、２００ｍ／ｍｉｎ）、
切り込み： ａｅ９５ｍｍ（センターカット）、ａｐ３．０ｍｍ、
一刃送り量：０．２ｍｍ／刃、
切削時間：５分、
≪切削条件Ｂ≫
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４のブロック材
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ（通常の切削速度は、２００ｍ／ｍｉｎ）、
切り込み： ａｅ２０ｍｍ（ダウンカット）、ａｐ５ｍｍ、
一刃送り量：０．１５ｍｍ／刃、
切削時間：１０分、
上記いずれの切削試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。この測定結果を表８に示した。

表６〜８に示される結果から、本発明被覆工具は、硬質被覆層を、クーリングクラックのないＴｉＣ層とＷＣ層の交互積層構造として形成し（あるいは、上部層としてさらに酸化アルミニウム層を形成し）、また、工具基体表面直上のＴｉＣ層を強靭化したことにより、切刃部に高負荷が作用する断続切削加工において、チッピング、欠損等を発生することはなく、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮した。
これに対して、本発明で規定する範囲外の交互積層構造からなる比較例被覆工具、あるいは、工具基体表面直上のＴｉＣ層が強靭化されていない比較例被覆工具は、切刃部に高負荷が作用する断続切削加工において、チッピング、欠損等の発生により、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。

上述のように、この発明の被覆工具は、各種の鋼や鋳鉄などの通常条件での切削加工は勿論のこと、切刃部に高負荷が作用する鋼やステンレス鋼の断続切削加工においても、チッピング、欠損等を発生することはなく、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するものであるから、切削装置の高性能化並びに切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に十分満足に対応できるものである。

Claims (2)

1. 炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成された工具基体の表面に、平均層厚２〜１０μｍの硬質被覆層を化学蒸着で形成してなる表面被覆切削工具において、
   （ａ）前記硬質被覆層は、０．５〜１．０μｍのチタン炭化物層と０．５〜１．０μｍのタングステン炭化物層との交互積層構造からなり、
   （ｂ）前記交互積層を構成する工具基体表面直上のチタン炭化物層には、工具基体表面との界面から該チタン炭化物層の内部深さ０．２μｍまでの範囲において、５〜１０原子％の平均Ｃｏ含有量のＣｏ含有領域が形成されてい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、上部層として、平均層厚０．５〜１．０μｍの酸化アルミニウム層が蒸着形成されていることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆切削工具。