JP2018164950A - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】硬質被覆層と下層との密着性を向上させ、鋼のミーリングの高速高送り断続加工において、優れた耐チッピング性を発揮する被覆工具を提供する。【解決手段】ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメット、あるいは、ｃＢＮ焼結体のいずれからなる工具基体の表面に、硬質被覆層が、工具基体表面に平均層厚０．１〜１．０μｍのＴｉＮ層と、該ＴｉＮ層の上に、平均層厚１．５〜５．０μｍの下部層としてのＴｉＣｘＮ１−ｘ（但し、０．３０≦ｘ≦０．８０）層および平均層厚０．１〜１．０μｍの上部層としてのＴｉＣｙＮ１−ｙ（但し、≦０．８５ｙ≦１．００）である中間層と、該中間層の上に、平均層厚１．５〜６．０μｍである（ＡｌｚＴｉ１−ｚ）Ｎ（但し、０．７０≦ｚ≦０．９５）層とを有することを特徴とする表面切削工具。【選択図】なし

Description

この発明は、鋼のミーリング加工の高速高送り断続加工において硬質被覆層が優れた耐チッピング性および基体との密着性を発揮する、長寿命の表面被覆切削工具（以下、被覆工具という）に関するものである。

切削工具の切削性能の改善を目的として、従来、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金、炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）基サーメットあるいは立方晶窒化ホウ素（以下、ｃＢＮで示す）基超高圧焼結体で構成された工具基体（以下、これらを総称して基体ということがある）の表面に、硬質被覆層として、Ｔｉ−Ａｌ系の複合窒化物層等を蒸着法により被覆形成した被覆工具があり、これらは、優れた耐摩耗性を発揮することが知られている。
前記従来のＴｉ−Ａｌ系の複合窒化物層等を被覆形成した被覆工具は、比較的耐摩耗性に優れるものの、高速高送り切削条件で用いた場合にチッピング等の異常損耗を発生しやすいため硬質被覆層の改善や基材との密着性の向上についての種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１には、ＴｉＮ結合相に堆積されたＴｉＣ_ａＮ_１−ａ（ａ＝０．４〜０．６）層に最外コーティング層として、立方晶から構成された部分と六方晶から構成された部分からなるラメラ組織が存在するＡｌ_ｘＴｉ_１−ｘＮ（ｘ＝０．８〜０．９９）層を堆積した切削工具が記載されている。

また、例えば、特許文献２には、硬質材料で被覆され、ＣＶＤによって蒸着された複数の層を有し、外層がＴｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ、Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣおよび／またはＴｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣＮ（０．６５≦ｘ≦０．９）からなり、この外層が１００〜１１００ＭＰａの範囲内の圧縮応力を有し、ＴｉＣＮ層またはＡｌ_２Ｏ_３層がこの外層の下に配置されている切削工具が記載されている。

特表２０１５−５０９８５８号公報 特表２０１１−５１３５９４号公報

近年の切削加工における省力化および省エネ化の要求は強く、これに伴い、高速高送り加工をすることが望まれ、被覆工具には、より一層、耐チッピング性、耐欠損性、耐剥離性等の耐異常損傷性の向上、強いては工具としての長寿命が求められている。

しかし、前記特許文献１に記載された被覆工具は、８００〜８３０℃でコーティングされたラメラ組織が存在するＡｌ_ｘＴｉ_１−ｘＮ層とその下部に隣接するＴｉＣＮ層のＣ濃度が低い為、高速高送り加工のような厳しい加工条件において、前記両層間での付着強度が不十分となり、チッピングが発生する虞がある。

また、前記特許文献２に記載された被覆工具は、外層の成膜温度が７００〜９００℃であるがＴｉＣＮ層中のＣ濃度については特に着目していないため、高速高送り加工のような厳しい加工条件において、下層と付着強度が不十分となって、チッピングが発生する虞がある。

そこで、本発明は、硬質被覆層と下層との密着性を向上させ、鋼のミーリングの高速高送り断続加工において、優れた耐チッピング性を発揮する被覆工具を提供することを目的とする。

本発明者は、ＴｉＣＮ層中のＣがＡｌとＴｉの複合窒化物層であるＴｉＡｌＮ層中に拡散することにより基体とＴｉＡｌＮ（以下、（Ａｌ_ｚＴｉ_１−ｚ）Ｎと表すこともある）層との密着性が向上するとの仮定に立って、成膜温度の他にＣ濃度に着目して鋭意検討した結果、
ＡｌＴｉＮ層に、特定範囲の平均層厚を有するＣ濃度を高めたＴｉＣＮ層を隣接させ、一方で、ＴｉＮ層に、特定範囲の平均層厚を有するＣ濃度の低いＴｉＣＮ層を隣接させるという、Ｃ濃度の異なる２層のＴｉＣＮ層をＡｌＴｉＮ層とＴｉＮ層との間に介在させることによって、
基体と硬質被覆層であるＴｉＮ層−ＴｉＣＮ層−ＴｉＡｌＮ層が強固に結びつき、鋼ミーリングのような高速高送り断続加工においても硬質被覆層と基体との密着性が向上すること、すなわち、チッピングが防止できることを新たに見出した。
なお、現段階では密着性が向上する理由は定かではないが、Ｃ濃度を高めたＴｉＣＮ層とＡｌＴｉＮ層の界面近傍でのＣとＮの相互拡散により、密着性が向上しているものと推測している。

本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「（１）ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメット、あるいは、ｃＢＮ焼結体のいずれからなる工具基体の表面に硬質被覆層が設けられた表面被覆切削工具において、
硬質被覆層が、
工具基体表面に平均層厚０．１〜１．０μｍのＴｉＮ層、
該ＴｉＮ層の上に、平均層厚１．５〜５．０μｍの下部層としてのＴｉＣ_ｘＮ_１−ｘ（但し、０．３０≦ｘ≦０．８０）層および平均層厚０．１〜１．０μｍの上部層としてのＴｉＣ_ｙＮ_１−ｙ（但し、≦０．８５ｙ≦１．００）である中間層、および、
該中間層の上に、平均層厚１．５〜６．０μｍである（Ａｌ_ｚＴｉ_１−ｚ）Ｎ（但し、０．７０≦ｚ≦０．９５）層、
を有することを特徴とする表面切削工具。
（２）前記（Ａｌ_ｚＴｉ_１−ｚ）Ｎ層の上にＡｌ_２Ｏ_３層を有する（１）に記載の切削工具。」
である。

本発明の表面被覆工具はＡｌＴｉＮ層に、特定範囲の平均層厚を有するＣ濃度を高めたＴｉＣＮ層を隣接させ、一方で、ＴｉＮ層に、特定範囲の平均層厚を有するＣ濃度の低いＴｉＣＮ層を隣接させるという、Ｃ濃度の異なる２層のＴｉＣＮ層をＡｌＴｉＮ層とＴｉＮ層との間に介在させることによって、基体と硬質被覆層であるＴｉＮ層−ＴｉＣＮ層−ＡｌＴｉＮ層が強固に結びつき、鋼ミーリングのような高速高送り断続加工においても硬質被覆層と基体との密着性が向上すること、すなわち、チッピングが防止できる、という顕著な効果を奏する。

次に、本発明の表面被覆切削工具の硬質被覆層、すなわち、硬質皮膜について、より詳細に説明する。

ＡｌＴｉＮ層
本発明のＡｌＴｉＮ層は、（Ａｌ_ｚＴｉ_１−ｚ）Ｎ（但し、０．７０≦ｚ≦０．９５）と表現できるものであって、ＣＶＤ装置により蒸着成形されるものである。
ここで、（Ａｌ_ｚＴｉ_１−ｚ）ＮにおけるＡｌとＴｉの合量に対するＡｌの含有割合ｚを０．７０〜０．９５とした理由は、Ａｌの平均含有割合ｚが０．７０未満であると、（Ａｌ_ｚＴｉ_１−Ｚ）Ｎ層は耐酸化性に劣り、鋼のミーリング加工のような高速高送り断続加工に供した場合には、耐摩耗性が十分でなく、一方、Ａｌの平均含有割合ｚが０．９５を超えると、硬さに劣る六方晶の析出量が増大し硬さが低下するため、耐摩耗性が低下するためである。
なお、このＡｌＴｉＮ層には中間層から拡散するＣと、中間層へ拡散していくＮとが存在すると推測しているが、ＣおよびＮ拡散領域は中間層に接する界面のわずかな領域であるため、ＡｌＴｉＮ層の組成は層全体としてみたとき、（Ａｌ_yＴｉ_１−y）Ｎと事実上表現できる。

また、（Ａｌ_ｚＴｉ_１−ｚ）Ｎ層の平均膜厚を１．５〜６．０μｍとした理由は、平均膜厚が１．５μｍ未満であると、切削加工時における保護膜としての働きが十分になされず、６．０μｍを超えると硬質被覆層の層厚が厚くなりチッピングを生じやすくなるためである。

中間層の上部層であるＴｉＣ_ｙＮ_１−ｙ層
中間層の上部層は、ＴｉＣ_ｙＮ_１−ｙ（但し、０．８５≦ｙ≦１．００）と表現できるものである。ここで、ｙ＝０．８５〜１．００とした理由は、ｙが０．８５未満となると、ＴｉＣＮ層とＴｉＡｌＮ層と付着強度が十分に得られないためであり、一方、ｙは１．００を超えることはないため、ｙの上限を１．００としたのである。

また、中間層の上部層であるＴｉＣ_ｙＮ_１−ｙ層の平均層厚は、０．１〜１．０μｍである。この範囲とした理由は、０．１μｍ未満では、この上部層とＴｉＡｌＮ層との付着強度が十分ではなく、１．０μｍを超えると、ＡｌＴｉＮ層へ拡散するＣ量が多くなって同層が脆化する虞があることや硬質被覆層全体の厚さが厚くなってチッピングが起こりやすくなるためである。

中間層の下部層であるＴｉＣ_ｘＮ_１−ｘ層
中間層の下部層は、ＴｉＣ_ｘＮ_１−ｘ（但し、０．３０≦ｘ≦０．８０）と表現できるものである。ここで、ｘ＝０．３０〜０．８０とした理由は、ｘが０．３０未満となると、中間層の上部層であるＴｉＣ_ｙＮ_１−ｙ（但し、０．８５≦ｙ≦１．００）との組成がかけ離れてチッピングが生じやすくなり、一方、０．８０を超えると下層のＴｉＮとの組成がかけ離れてチッピングが生じやすくなるため、ｘ＝０．３０〜０．８０と定めた。

また、中間層の下部層であるＴｉＣ_ｘＮ_１−ｘ層の平均層厚は１．５〜５．０μｍである。この範囲とした理由は、平均層厚が１．５μｍ未満となると、耐摩耗性が十分い発揮されないためであり、５．０μｍを超えると、硬質被覆層全体の厚さが厚くなってチッピングが起こりやすくなるためである。

ＴｉＮ層
ＴｉＮ層は基体と硬質被覆層との結合を強固にするためのものであって、その平均層厚は０.１〜１．０μｍである。この範囲とした理由は、０．１μｍ未満では基体との密着性が不足するためであり、１．０μｍを超えると硬質被覆層全体の厚さが厚くなってチッピングが起こりやすくなるためである。

Ａｌ_２Ｏ_３層
本発明は、ＴｉＡｌＮ層の上部にＡｌ_２Ｏ_３層を設けてもよい。Ａｌ_２Ｏ_３層を設けることにより、硬質被覆層の耐摩耗性がより一層向上する。

硬質被覆層の製造方法
本発明の被覆工具の硬質被覆層は通常のＣＶＤ装置を用いて、例えば、以下のガス組成と反応雰囲気によって製造することができる。中間層の上部層の成膜に当たって、ＣＨ_４のような炭化水素を使用することが望ましい。Ａｌ_２Ｏ_３層の被覆は周知のものを適宜採用すればよい。なお、以下の「％」は「容量％」のことである。

ＴｉＮ被覆層
反応雰囲気温度： ８５０〜１０５０℃
反応雰囲気圧力： ４．０〜５．０ｋＰａ
反応ガス： ＴｉＣｌ_４：１４．０〜１９．０％、Ｎ_２：１５．０〜２５．０％、Ｈ_２：残り

中間層の下部層 ＴｉＣ_ｘＮ_１−ｘ（但し、０．３０≦ｘ≦０．８０）
反応雰囲気温度： ８００〜１０００℃
反応雰囲気圧力： ４．０〜５．０ｋＰａ
反応ガス： ＴｉＣｌ_４：１２．０〜１６．０％、ＣＨ_３ＣＮ：１０．０〜１５．０％、 Ｎ_２：１０．０〜２４．０％、Ｈ_２：残り

中間層の上部層 ＴｉＣ_ｙＮ_１−ｙ（但し、０．８５≦ｙ≦１．００）
反応雰囲気温度： ８５０〜１０５０℃
反応雰囲気圧力： ５．０〜６．０ｋＰａ
反応ガス： ＴｉＣｌ_４：１２．０〜１６．０％、ＣＨ_４：１０．０〜１６．５％（またはＣ_２Ｈ_６：７．５〜１３．５％ または Ｃ_２Ｈ_４：８．０〜１４．０％）、Ｎ_２：０〜５．０％、Ｈ_２：残り

ＡｌＴｉＮ層 （Ａｌ_ｚＴｉ_１−ｚ）Ｎ（但し、０．７０≦ｚ≦０．９５）
反応雰囲気温度： ７００〜９００℃
反応雰囲気圧力： ４〜５ｋＰａ
ガス群Ａ ＮＨ_３： ０．８〜１．６％、Ｈ_２： ４５〜５５％
ガス群Ｂ ＡｌＣｌ_３： ０．５〜０．７％、ＴｉＣｌ_４： ０．１〜０．３％、Ｎ_２：０．０〜１０％、Ｈ_２： 残り
供給周期：１〜５秒
1周期当たりのガス供給時間：０．１５〜０．２５秒
ガス群Ａの供給とガス群Ｂの供給の位相差： ０．１０〜０．２０秒

次に、本発明の被覆工具を実施例によって説明する。
なお、以下の実施例では、工具基体として、ＷＣ基超硬合金を用いた場合について説明するが、ＴｉＣＮ基サーメットやｃＢＮ基超硬合金を工具基体として用いた場合も同様である。

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、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２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、ＩＳＯ規格ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＳＮのインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製の基体Ａ〜Ｃをそれぞれ製造した。

次に、これら工具基体Ａ〜Ｃの表面に、通常のＣＶＤ装置を用いて、表２〜７に記載する成膜条件により、本発明工具１〜１０と比較工具１〜１０を成膜した。なお、本発明被覆工具３、７と比較被覆工具３、７では、（Ａｌ_ｚＴｉ_１−ｚ）Ｎ層の上にＡｌ_２Ｏ_３層を形成した。
これら本発明工具１〜１０および比較工具１〜１０の各層の組成、各層の平均層厚を表８に示す。

ここで、皮膜厚さ方向の断面を縦断面とよび、各層の平均層厚はこの縦断面をＳＥＭによって複数箇所観察した結果の平均値である。

また、各層の組成は、電子プローブマイクロ分析装置（ＥＰＭＡ）や走査型オージェ分光装置（ＡＥＳ）を用いて分析した。なお、ＥＰＭＡやＡＥＳによる組成分析は、膜厚方向中心位置で行った。

次に、本発明工具１〜１０および比較工具１〜１０をいずれもカッタ径１２５ｍｍの工具鋼製カッタ先端部に固定治具にてクランプした状態で、以下のミーリング加工試験を実施した。
切削試験： 乾式高速正面フライス、センターカット切削加工、
被削材： ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍのブロック材、
切削速度： ４００ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み： ２．０ ｍｍ、
一刃送り量： ０．３５ ｍｍ／刃、
切削時間： １０ 分、
表９に上記加工試験の結果を示す。

表９に示される結果から、本発明工具１〜１０は、平均層厚０．１〜１．０μｍＴｉＮ層、該ＴｉＮ層に、平均層厚１．５〜５．０μｍの下部層としてＴｉＣ_ｘＮ_１−ｘ（但し、０．３０≦ｘ≦０．８０）層、および、平均層厚０．１〜１．０μｍの上部層としてＴｉＣ_ｙＮ_１−ｙ（但し、０．８５≦ｙ≦１．００）である中間層が存在し、この中間層の上に（Ａｌ_ｚＴｉ_１−ｚ）Ｎ（但し、０．７０≦ｚ≦０．９５）層を有すること、すなわち、ＡｌＴｉＮ層にＣ濃度を高めたＴｉＣＮ層を隣接させることによって、鋼の高速ミーリング加工で優れた硬質皮膜の密着性、耐チッピング性を発揮する。
これに対して、比較工具１〜１０は、いずれも、ＡｌＴｉＮ層に本発明で規定する上記中間層が隣接しないため、チッピング、剥離等の異常損傷が発生するばかりか、比較的短時間で使用寿命に至ってしまう。

本発明の被覆工具は、鋼の高速ミーリング切削加工等の高速断続切削加工ばかりでなく、各種の被削材の被覆工具として用いることができ、しかも、長期の使用にわたって優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. ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメット、あるいは、ｃＢＮ焼結体のいずれからなる工具基体の表面に硬質被覆層が設けられた表面被覆切削工具において、
   硬質被覆層が、
   工具基体表面に平均層厚０．１〜１．０μｍのＴｉＮ層、
   該ＴｉＮ層の上に、平均層厚１．５〜５．０μｍの下部層としてのＴｉＣ_ｘＮ_１−ｘ（但し、０．３０≦ｘ≦０．８０）層および平均層厚０．１〜１．０μｍの上部層としてのＴｉＣ_ｙＮ_１−ｙ（但し、≦０．８５ｙ≦１．００）である中間層、および、
   該中間層の上に、平均層厚１．５〜６．０μｍである（Ａｌ_ｚＴｉ_１−ｚ）Ｎ（但し、０．７０≦ｚ≦０．９５）層、
   を有することを特徴とする表面切削工具。
2. 前記（Ａｌ_ｚＴｉ_１−ｚ）Ｎ層の上にＡｌ_２Ｏ_３層を有する請求項１に記載の切削工具。