JP2017185609A - 表面被覆切削工具およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
以下、実施形態について説明する。以下の実施形態の説明に用いられる図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わす。
本実施形態に係る表面被覆切削工具は、基材と、該基材の表面に形成された被膜とを備える。被膜は、基材の全面を被覆することが好ましい。しかしながら、基材の一部がこの被膜で被覆されていなかったり被膜の構成が部分的に異なっていたりしていたとしても、本発明の範囲を逸脱するものではない。
基材は、この種の基材として従来公知のものであればいずれも使用することができる。たとえば、超硬合金(たとえば、WC基超硬合金、WCのほか、Coを含み、あるいはTi、Ta、Nbなどの炭窒化物を添加したものも含む)、サーメット(TiC、TiN、TiCNなどを主成分とするもの)、高速度鋼、セラミックス(炭化チタン、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど)、立方晶型窒化ホウ素焼結体、またはダイヤモンド焼結体のいずれかであることが好ましい。
本実施形態において、被膜は、塩化ナトリウム型の結晶構造を有する結晶粒を含む第1硬質被膜層を含む。第1硬質被膜層に含まれる結晶粒が塩化ナトリウム型の結晶構造を有していることは、X線回折装置(たとえば、商品名:「SmartLab」、株式会社リガク製)を用いて分析することにより確認することができる。図1に本実施形態における被膜(STEM像)の一例を示す。
(結晶粒の積層構造)
第1硬質被膜層に含まれる結晶粒は、AlxTi1-xの窒化物または炭窒化物からなる第1層と、AlyTi1-yの窒化物または炭窒化物からなる第2層とが交互に1層以上積層された積層構造を有している。さらに、第1層のAlの原子比xは、各第1層中で0.76以上1未満の範囲で変動し、第2層のAlの原子比yは、各第2層中で0.45以上0.76未満の範囲で変動する。換言すれば、第1硬質被膜層に含まれる結晶粒は、Alの原子比が高い割合を維持して変動する第1層と、この第1層に比べAlの原子比が相対的に低い割合を維持して変動する第2層とが、交互に配置される積層構造を有している。
上述のとおり第1硬質被膜層は、結晶粒内にAlxTi1-xの窒化物または炭窒化物からなる第1層と、AlyTi1-yの窒化物または炭窒化物からなる第2層とが交互に1層以上積層された積層構造を有している。この積層構造において第1層のAlの原子比xは、それぞれ0.76以上1未満の範囲で変動する。第2層のAlの原子比yは、それぞれ0.45以上0.76未満の範囲で変動する。さらに、原子比xと原子比yとは、その差の最大値が0.05≦x−y≦0.5となる。
本実施形態において、隣り合う第1層と第2層との厚みの合計(以下、「積層周期」とも称する)は、3〜30nmである。たとえば、図2では、積層周期は、およそ10nmであることを示している。このような厚みで第1層と第2層とからなる積層構造を有することにより、結晶粒は高硬度となり、かつ靱性が向上する。特に、結晶粒が後述するような結晶方位に配向することにより、結晶粒の靱性に基づいた表面被覆切削工具の耐チッピング性への寄与がより効果的となる。
本実施形態において結晶粒は、基材の表面の法線方向に平行な断面において電子線後方散乱回折(EBSD:Electron BackScatter Diffraction)装置を用いて結晶粒の結晶方位をそれぞれ解析することにより、結晶粒の結晶面である(200)面に対する法線と基材の表面に対する法線との交差角を測定し、交差角が0〜45度となる結晶粒を0度から5度単位で区分けして9つのグループを構築し、各グループに含まれる結晶粒の面積の和である度数をそれぞれ算出したとき、交差角が0〜20度となる結晶粒が含まれる4つのグループの度数の合計が、全グループの度数の合計の50%以上100%以下となる。交差角が0〜20度となる結晶粒が含まれる4つのグループの度数の合計が、このような範囲となることにより、結晶粒は特に靱性が向上し、表面被覆切削工具の優れた耐チッピング性に寄与することができる。
加速電圧: 6kV
照射角度: 基材表面の法線方向から0°
照射時間: 6時間。
第1硬質被膜層は、ナノインデンテーション法による押し込み硬さが28GPa以上38GPa以下であることが好ましい。より好ましくは、30GPa以上36GPa以下である。第1硬質被膜層のナノインデンテーション法による押し込み硬さが上記範囲であることにより、本実施形態に係る表面被覆切削工具は、耐摩耗性が向上する。特に、耐熱合金などの難削材の切削加工を行う際に優れた性能を発揮することができる。
第1硬質被膜層は、圧縮残留応力の絶対値は0.5GPa以上5.0GPa以下であることが好ましい。より好ましくは、1.0GPa以上4.0GPa以下である。第1硬質被膜層の圧縮残留応力の絶対値が上記範囲であることにより、第1硬質被膜層の靱性を飛躍的に向上させることができる。圧縮残留応力の絶対値が0.5GPa未満であれば、靱性を向上させるのに十分ではない。圧縮残留応力の絶対値が5.0GPaを超えると、内部応力が大きくなりすぎ、チッピングが起きやすくなる傾向がある。第1硬質被膜層の圧縮残留応力は、第1硬質被膜層に含まれる結晶粒内における第1層と第2層との積層周期を調節することおよび付加的な表面処理をすることによって、0.5GPa以上5.0GPa以下に制御することができる。第1硬質被膜層の圧縮残留応力の値は特に記載のない限り、実際に切削加工に供する点であるため刃先から半径500μm以内のすくい面、逃げ面のいずれかまたは両方の平均圧縮残留応力の値を意味する。
第1硬質被膜層は、高硬度かつ靱性に優れ、高い耐チッピング性能を付与するという本実施形態の作用効果に影響を及ぼさない限り、塩素(Cl)、酸素(O)、硼素(B)、コバルト(Co)、タングステン(W)、クロム(Cr)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)および炭素(C)からなる群より選択される少なくとも1種の不純物を含んでいてもよく、含んでいなくてもよい。すなわち第1硬質被膜層は、不可避不純物などの不純物を含んで形成されることが許容される。
第1硬質被膜層は、その厚みが1〜15μmであることが好ましい。第1硬質被膜層の厚みが上記範囲であることにより、耐摩耗性を維持しつつ耐チッピング性を向上させる効果を顕著に示すことができる。第1硬質被膜層の厚みが1μm未満であると靱性が十分ではなく、15μmを超えると圧縮残留応力が入りにくく耐チッピング性が不十分となる傾向がある。第1硬質被膜層の厚みは、その特性を向上させる観点から3μm以上7.5μm以下であることがさらに好ましい。
本実施形態に係る表面被覆切削工具は、図3に示すように、基材10と第1硬質被膜層11との間に、第2硬質被膜層12を含むことが好ましい。さらに、この第2硬質被膜層12は、その厚みが0.01〜0.5μmであることが好ましい。
本実施形態において被膜は、第1硬質被膜層および第2硬質被膜層以外の層を含んでいてもよい。たとえば、基材と被膜との接合強度を高くすることが可能な下地層を含むことができる。そのような層として、たとえば、窒化チタン(TiN)層、炭窒化チタン(TiCN)層、TiN層とTiCN層とからなる複合層などを挙げることができる。下地層は、従来公知の製造方法を使用することにより製造することができる。
本実施形態において被膜の総厚は、3μm以上20μm以下であることが好ましい。被膜の総厚が上記範囲であることにより、第1硬質被膜層の耐摩耗性を維持しつつ耐チッピング性を向上させる効果をはじめとする被膜の特性を好適に発揮することができる。被膜の総厚が3μm未満であると耐摩耗性が低下し、20μmを超えると、たとえば切削加工時に被膜が基材から剥離するケースが頻発する。被膜の総厚は、その特性を向上させる観点から4μm以上15μm以下であることがより好ましい。
以上から、本実施形態に係る表面被覆切削工具は、たとえば、ステンレス鋼の高速断続切削などに用いた場合であっても、チッピング、欠損、剥離などの発生が抑えられる。高硬度であるので耐摩耗性も発揮する。したがって、本実施形態に係る表面被覆切削工具は、高硬度かつ靱性に優れ、高硬度に基づく優れた耐摩耗性を維持しつつ、優れた靱性に基づいて高い耐チッピング性能を備えて長寿命を実現することができる。
本実施形態に係る表面被覆切削工具の製造方法は、基材を準備する第1工程と、第1硬質被膜層を含む被膜を化学蒸着(CVD)法を用いて形成する第2工程とを含む。特に、上記第2工程は、AlCl3ガスおよびTiCl4ガスの両方またはいずれか一方の流量を変調させながら結晶粒を成長させる工程を含むことが好ましい。これにより、上記の構成および効果を有する表面被覆切削工具を歩留まりよく製造することができる。
第1工程では基材を準備する。基材は、市販のものを用いてもよく、一般的な粉末冶金法で製造してもよい。たとえば、基材として超硬合金基材を一般的な粉末冶金法で製造する場合、ボールミルなどによってWC粉末とCo粉末などとを混合して混合粉末を得ることができる。該混合粉末を乾燥した後、所定の形状に成形して成形体を得る。さらに該成形体を焼結することにより、WC−Co系超硬合金(焼結体)を得る。次いで該焼結体に対して、ホーニング処理などの所定の刃先加工を施すことにより、WC−Co系超硬合金からなる基材を製造することができる。第1工程では、上記以外の基材であっても、この種の基材として従来公知のものをいずれも準備可能である。
第2工程では、第1硬質被膜層を含む被膜(第1硬質被膜層および第2硬質被膜層)を化学蒸着(CVD)法を用いて形成する。たとえば成長させる結晶粒が窒化物である場合、まず第2硬質被膜層を形成する工程として、TiCl4ガスなどのTiのハロゲン化物ガスおよびAlCl3ガスなどのAlのハロゲン化物ガスを含む第1ガス群と、アンモニア(NH3)ガスを含む第2ガス群とを反応容器内で化学反応させる。これにより、基材上にAlとTiとNとを含む結晶粒の核を形成する。その後、その核を成長させて第1硬質被膜層を形成する。具体的には、上記の第1ガス群に含まれるガス成分および第2ガス群に含まれるガス成分を反応容器内で均一に化学反応させ、反応生成物を第2硬質被膜層上に噴出することにより、AlTiの窒化物を含む結晶粒を成長させ、もって第1硬質被膜層を形成することができる。
さらに、成膜された第1硬質被膜層を含む被膜に対し、表面側からブラスト処理を行なって、第1硬質被膜層を含む被膜に圧縮残留応力を付与することが好ましい(圧縮残留応力付与工程)。CVD法によって形成された層は、全体に引張残留応力を有する傾向があるが、本工程により、第1硬質被膜層を含む被膜の表面側に圧縮残留応力を付与することができ、もって上述の圧縮残留応力を有する第1硬質被膜層を含む被膜を作製することができる。ブラスト処理において、メディアの投射圧、投射時間、投射距離を制御することにより、付与する圧縮残留応力を制御することができる。たとえば湿式ブラスト処理として平均粒径50μmの球形アルミナ、濃度10体積%、投射圧0.2MPa、投射距離10mm、投射時間10秒の条件で行なうことができる。
イオンミーリング装置(商品名:「SM−09010」、日本電子株式会社製)
加速電圧: 6kV
照射角度: 基材表面の法線方向から0°
照射時間: 6時間。
まず、第1工程として、被膜で被覆する基材Aおよび基材Bを準備した。具体的には、表1に記載の配合組成(重量%)からなる原料粉末を均一に混合した。次に、この混合粉末を所定の形状に加圧成形した後に、1300〜1500℃で1〜2時間焼結することにより、超硬合金からなる基材A(形状:CNMG120408NUX)および基材B(形状:SEET13T3AGSN−G)を得た。これらは、いずれも住友電工ハードメタル株式会社製のものであり、基材AであるCNMG120408NUXは、旋削用の刃先交換型切削チップの形状であり、基材であるSEET13T3AGSN−Gは、転削(フライス)用の刃先交換型切削チップの形状である。ここで、表1中の「残り」とは、WCが配合組成(質量%)の残部を占めることを示す。本実施例では、表6に示すとおり試料No.1〜36の切削工具を作製する。試料No.1〜7、9〜15、17〜22、25〜30の切削工具が実施例であり、試料No.8、16、23、24、31〜36の切削工具が比較例である。
第2工程として、基材Aおよび基材Bの表面上に表2に示す組成の下地層(TiN、試料によってはTiNおよびTiCN)を、表6に示すとおりの厚みで形成した。下地層上に第2硬質被膜層を形成し、さらに後述する第1硬質被膜層を表6に示すとおりの厚みで形成した。そのほか表6に示すとおり、試料によっては表面被覆層(Al2O3)も形成した。
第1硬質被膜層および第2硬質被膜層は、図5に示すようなCVD装置100を用いて形成した。まず、結晶粒の核(第2硬質被膜層)を形成するため、反応容器22の内部の圧力を2kPaとし、成膜温度(基材温度)を730℃とし、第1ガス群および第2ガス群の合計である全ガス流量を55.5L/分とした。この条件下において第1ガス群の組成を0.2体積%のTiCl4ガス、0.7体積%のAlCl3ガス、0体積%のC2H4ガス、残り(残部)のH2ガスとし、第2ガス群の組成を1体積%のNH3ガス、37体積%のArガスとし、それぞれ第1ガス導入管24、第2ガス導入管25に導入し、基材10上に噴出した。なお上記組成は、第1ガス群および第2ガス群の合計で100体積%を満たすものとする。これにより図3(B)に示すような第2硬質被膜層を得る。
さらに、成膜された第1硬質被膜層を含む被膜に対し、表面側からブラスト処理を行なって、第1硬質被膜層を含む被膜に圧縮残留応力を付与した。ここでは湿式ブラスト処理として平均粒径50μmの球形アルミナ、濃度10体積%、投射圧0.2MPa、投射距離10mm、投射時間10秒とした。被膜総厚およびこの被膜の構造により得られた第1硬質被膜層の圧縮残留応力値を表6に示す。
上述のように準備された基材Aまたは基材Bを、上記のようにして形成した被膜により被覆し、表6に示すとおりの試料No.1〜36の切削工具を作製した。上述のとおり、本実施例において試料No.1〜7、9〜15、17〜22、25〜30の切削工具が実施例であり、試料No.8、16、23、24、31〜36の切削工具が比較例である。
上記のようにして作製した試料No.1〜36の切削工具を用いて、以下の2種の切削試験を行った。
試料No.1〜8、17〜24、33および34の切削工具について、以下の切削条件により逃げ面摩耗量(Vb)が0.20mmとなるまでの切削時間を測定するとともに刃先の最終損傷形態を観察し、工具寿命を評価した。その結果を表7に示す。切削時間が長いほど耐摩耗性に優れる切削工具として、高速切削であっても長寿命化を実現することができる可能性が高いと評価することができる。
被削材 : FCD450丸棒
周速 : 500m/min
送り速度: 0.15mm/rev
切込み量: 1.0mm
切削液 : 有り。
試料No.9〜16、25〜32、35および36の切削工具について、以下の切削条件により逃げ面摩耗量(Vb)が0.20mmとなるまでの切削距離を測定するとともに刃先の最終損傷形態を観察し、工具寿命を評価した。その結果を表8に示す。切削距離が長いほど耐チッピング性に優れる切削工具として、被削材の種類に関わらず長寿命化を実現することができる可能性が高いと評価することができる。
被削材 : SUS304ブロック材
周速 : 250m/min
送り速度: 0.3mm/s
切込み量: 2.0mm
切削液 : なし
カッタ : WGC4160R(住友電工ハードメタル株式会社製)。
表7によれば、試料No.1〜7、17〜22の切削工具は、切削時間が16分以上であり、試料No.8、23、24、33および34の切削工具と比べて長寿命であることが確認された。特に、試料No.33および34の切削工具は、チッピングが確認されて高速切削に対して性能が劣ることが確認された。
Claims (8)
- 基材と、該基材の表面に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
前記被膜は、塩化ナトリウム型の結晶構造を有する結晶粒を含む第1硬質被膜層を含み、
前記結晶粒は、AlxTi1-xの窒化物または炭窒化物からなる第1層と、AlyTi1-yの窒化物または炭窒化物からなる第2層とが交互に1層以上積層された積層構造を有し、
前記第1層のAlの原子比xは、それぞれ0.76以上1未満の範囲で変動し、
前記第2層のAlの原子比yは、それぞれ0.45以上0.76未満の範囲で変動し、
前記原子比xと前記原子比yとは、その差の最大値が0.05≦x−y≦0.5となり、
隣り合う前記第1層と前記第2層との厚みの合計は、3〜30nmであり、
前記結晶粒は、前記基材の表面の法線方向に平行な断面において電子線後方散乱回折装置を用いて前記結晶粒の結晶方位をそれぞれ解析することにより、前記結晶粒の結晶面である(200)面に対する法線と前記基材の表面に対する法線との交差角を測定し、前記交差角が0〜45度となる前記結晶粒を0度から5度単位で区分けして9つのグループを構築し、各グループに含まれる前記結晶粒の面積の和である度数をそれぞれ算出したとき、前記交差角が0〜20度となる前記結晶粒が含まれる4つのグループの前記度数の合計が、全グループの前記度数の合計の50%以上100%以下となる、表面被覆切削工具。 - 前記表面被覆切削工具は、前記交差角が10〜20度となる前記結晶粒が含まれる2つのグループの前記度数の合計が、前記全グループの前記度数の合計の30%以上100%以下となる、請求項1に記載の表面被覆切削工具。
- 前記被膜は、前記基材と前記第1硬質被膜層との間に第2硬質被膜層を含み、
前記第2硬質被膜層は、その厚みが0.01〜0.5μmである、請求項1または請求項2に記載の表面被覆切削工具。 - 前記第1硬質被膜層は、その厚みが1〜15μmである、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の表面被覆切削工具。
- 前記第1硬質被膜層は、ナノインデンテーション法による押し込み硬さが28GPa以上38GPa以下である、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の表面被覆切削工具。
- 前記第1硬質被膜層は、圧縮残留応力の絶対値が0.5GPa以上5.0GPa以下である、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の表面被覆切削工具。
- 請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の表面被覆切削工具の製造方法であって、
前記基材を準備する第1工程と、
前記第1硬質被膜層を含む前記被膜を化学蒸着法を用いて形成する第2工程とを含む、表面被覆切削工具の製造方法。 - 前記第2工程は、AlCl3ガスおよびTiCl4ガスの両方またはいずれか一方の流量を変調させながら前記結晶粒を成長させる工程を含む、請求項7に記載の表面被覆切削工具の製造方法。
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