JP2021088038A - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】チタン合金、ニッケル合金等の熱伝導度が低く、靱性の高い材料の高速切削に供しても、優れた耐溶着性、耐チッピング性を示し、長期の使用にわたって優れた切削性能を発揮する切削工具を提供する。【解決手段】工具基体の表面に、平均膜厚が０．５〜１０．０μｍの硬質皮膜を少なくとも有する表面被覆切削工具であって、前記工具基体の表面と前記硬質皮膜との界面の前記工具基体の直上にＷ膜、該Ｗ膜の直上に前記硬質皮膜に接するＷ１−ｘＣｒｘ膜（ｘは原子比で０．０１≦ｘ≦０．３０）を有していることを特徴とする表面被覆切削工具。【選択図】図１

Description

本発明は、特に、チタン合金、ニッケル合金等の高速切削加工に用いても、硬質皮膜層が優れた耐溶着性、耐チッピング性を有し、長期の使用にわたって優れた切削性能を発揮する表面被覆切削工具（以下、被覆工具ということがある）に関するものである。

一般に、被覆工具には、各種の鋼や鋳鉄などの被削材の旋削加工や平削り加工にバイトの先端部に着脱自在に取り付けて用いられるインサート、被削材の穴あけ切削加工などに用いられるドリルやミニチュアドリル、さらに被削材の面削加工や溝加工、肩加工などに用いられるソリッドタイプのエンドミルなどがあり、またインサートを着脱自在に取り付けてソリッドタイプのエンドミルと同様に切削加工を行うインサート式エンドミルなどが知られている。
従来から、被覆工具としては、例えば、ＷＣ基超硬合金等を工具基体に硬質皮膜層を形成したものが知られており、工具基体と硬質皮膜層との界面に注目して、切削性能の改善を目的として種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１には、ＴｉＡｌＮ層を被覆する前にＣｒイオンおよび／またはＭｏイオンにより金属基体表面をエッチング処理し、前記ＴｉＡｌＮ層表面を滑らかにした被覆工具が記載されている。

また、例えば、特許文献２には、ＷＣ基超硬基体の表面にｂｃｃ構造を有するＷ、Ｃｒ、Ｃｏを有する改質層を有する被覆工具が記載され、この被覆工具は高硬度鋼、ステンレス鋼、鋳鋼の切削に使用できることが記載されている。

さらに、例えば、特許文献３には、ＷＣの結晶構造に指数付けされ、ＷとＣｒを含有する炭化物からなる１〜１０ｎｍの膜厚の中間皮膜を設けた被覆工具が記載され、この被覆工具は、高炭素鋼、プリハードン鋼等の切削加工でも耐久性を有することが記載されている。

特開平９−２１７１６８号公報 特開２０１４−１５２３４５号公報 特許第６３８２３３号公報

特許文献１〜３に記載された硬質皮膜層を有する被覆工具は、主に鋼を加工するものであって、チタン合金、ニッケル合金のように熱伝導度が低く、靭性を有し切削工具との親和性の高い材料の高速切削時には、早期に溶着剥離が発生し短時間で寿命に至ってしまい満足する切削性能を得ることは困難である。

そこで、本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであって、特に、チタン合金、ニッケル合金等の熱伝導度が低く、靱性の高い材料の高速切削に供しても、優れた耐溶着性、耐チッピング性を示し、長期の使用にわたって優れた切削性能を発揮する切削工具を提供することを目的とする。

本発明者は、前記課題を解決すべく、硬質皮膜と工具基体との界面領域の組成・構造について鋭意検討したところ、工具基体と硬質皮膜との界面領域に、工具基体直上のＷ膜とその直上で硬質皮膜と接するＷＣｒ膜を形成すると、硬質皮膜と工具基体との密着性が向上し、たとえ、硬質皮膜に溶着剥離が生じかけても、このＷＣｒ膜がチッピングを抑制し、工具基体の硬質相を構成する粒子（ＷＣ粒子）の脱落が防止できるという新規な知見を得た。

なお、前記特許文献１では、工具基体をＣｒイオンによりエッチング処理しているが、ドロップレットの低減に着目したものであるから、前記知見を示唆すらしないものである。

本発明は、この知見に基づくものであって、次のとおりのものである。
「（１）工具基体の表面に、平均膜厚が０．５〜１０．０μｍの硬質皮膜を少なくとも有する表面被覆切削工具であって、
前記工具基体の表面と前記硬質皮膜との界面の前記工具基体の直上にＷ膜、該Ｗ膜の直上に前記硬質皮膜に接するＷ_１−ｘＣｒ_ｘ膜（ｘは原子比で０．０１≦ｘ≦０．３０）を有していることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）前記Ｗ膜の平均厚さは１０〜１０００ｎｍ、前記Ｗ_１−ｘＣｒ_ｘ膜の平均厚さは５〜５００ｎｍであることを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆切削工具。
（３）前記Ｗ_１−ｘＣｒ_ｘ膜において、前記ｘの値が工具表面側に向かって増加していることを特徴とする前記（１）または（２）に記載の表面被覆切削工具。」

本発明の表面被覆切削工具は、チタン合金、ニッケル合金等の高速切削加工に用いても、硬質皮膜層が優れた耐溶着性、耐チッピングを備えることにより、長期の使用にわたって優れた切削性能を発揮する。

本発明の表面被覆切削工具における硬質皮膜層の縦断面の模式図である。

以下、本発明の被覆工具について、より詳細に説明する。なお、本明細書、特許請求の範囲の記載において、数値範囲を「Ａ〜Ｂ」を用いて表現する場合、その範囲は上限（Ｂ）および下限（Ａ）の数値を含むものである。また、上限（Ｂ）および下限（Ｂ）は同じ単位である。
本発明の被覆工具の硬質皮膜層の層構造は図１に示すとおりである。以下順にこの硬質皮膜層を構成する要素について詳述する。

硬質皮膜の平均膜厚：
本発明の被覆工具における硬質皮膜層を構成する硬質皮膜の平均膜厚は、０．５〜１０．０μｍである。この範囲とした理由は、０．５μｍ未満であると、長期の使用にわたって優れた耐摩耗性を発揮することができず、一方、１０．０μｍを超えると、硬質皮膜の結晶粒が粗大化しやすくなり、耐チッピング性向上の効果が得られなくなるからである。平均膜厚は、０．８〜８μｍがより好ましい。

硬質皮膜の組成：
本発明の被覆工具における硬質皮膜は、本発明の目的を阻害するものでなければ、その組成や皮膜構造に制約はないが、例えば、ＴｉとＡｌを含む複合窒化物を挙げることができ、具体的な組成として、その組成を組成式：（Ｔｉ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙ）Ｎで表したとき、０．３５≦ｘ≦０．８０、０．００≦ｙ≦０．１５（ただし、ｘ、ｙは原子比、ＭはＩＵＰＡＣの周期表の４〜６族の原子、Ｃｅ、Ｌａ、Ｈｆ、Ｎｄの少なくとも一つ）を満足する平均組成を有する（ＴｉＡｌＭ）Ｎ皮膜を用いることができる。

なお、この（ＴｉＡｌＭ）Ｎ膜の平均組成、平均層厚については、走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＴＥＭ）に付属するエネルギー分散型Ｘ線分光法（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＥＤＳ）を用いた膜厚方向の断面（工具基体表面に垂直な断面：縦断面）観察により求めることができる。

工具基体の表面と硬質皮膜との界面に存在するＷ膜とＷＣｒ膜：
本発明において、工具基体の表面と硬質皮膜との界面には、工具基体の直上にＷ膜、このＷ膜の直上に硬質皮膜に接するＷ_１−ｘＣｒ_ｘ膜（ｘは原子比で０．０１≦ｘ≦０．３０）（以下、Ｗ／ＷＣｒ膜と云うことがある）を有していることが必要である。
ここで、Ｗ膜の平均厚さ（工具基体から膜厚方向に硬質皮膜に向かって、ＷＣではなくＷが検出され、Ｃｒが検出されるまでの平均距離）は１０〜１０００ｎｍ、好ましくは１５〜８００ｎｍであり、また、Ｗ_１−ｘＣｒ_ｘ膜の平均厚さ（Ｃｒが検出されＷが検出されなくなるまでの平均距離）が５〜５００ｎｍ、好ましくは１０〜４００ｎｍである。Ｗ膜の平均厚さがこの範囲にあるとき、硬質皮膜層が優れた耐溶着性、耐チッピングを備える。
さらに、ｘは、工具表面に向かって増加することがより好ましい。ここで、増加するとは、膜厚方向において工具基体側よりも工具表面側の値が大きいことを云う。

定かではないが、このＷ／ＷＣｒ膜の役割は以下のとおりと考えている。すなわち、高い耐熱性を有するＷＣｒ膜の存在によりＷＣの欠落を防止し、靭性の高いＷ膜とＷＣｒ膜によって、硬質皮膜自体の耐チッピング性が向上するため破壊が抑制され、また、Ｗ膜によって工具基体のＷＣとの密着力が向上し、硬質皮膜層が摩耗してもＷ膜、及びＷＣｒ膜が優れた耐溶着性を発揮するため、工具基体の硬質相を構成するＷＣ粒子の脱落およびチッピングが防止できると考えられる。
なお、このＷＣｒ膜中のＣｒの含有割合ｘは、前述のＴＥＭ−ＥＤＳによって求めることができる。

工具基体：
工具基体は、この種の工具基体の硬質相としてＷＣ含む従来公知のものであれば、本発明の目的を達成することを阻害するものでない限り、いずれのものも使用可能である。

製造方法：
本発明の被覆工具の硬質皮膜は、ＰＶＤの一種であるアークイオンプレーティング（Ａｒｃ Ｉｏｎ Ｐｌａｔｉｎｇ：ＡＩＰ）の蒸着源と直流（ＤＣ）スパッタリング蒸着源を持つ成膜装置を用いて製造することができ、Ｗ膜は、Ｗターゲットをスパッタリングし、ＷＣｒ膜は、Ｗターゲットをスパッタリングし、Ｃｒターゲットをアーク放電することで形成することができ、ＷＣｒ膜の成膜時には、Ｃｒの放電量を徐々に増加（例えば線形に増加）させることがより好ましい。

次に、実施例について説明する。
ここでは、本発明の被覆工具の実施例として、工具基体としてＷＣ基超硬合金を用いたインサート切削工具に適用したものについて述べるが、工具基体は前述のとおり硬質相にＷＣが含まれていればよく、また、工具としてドリル、エンドミル等に適用した場合も同様である。また、硬質皮膜は、前述の（ＴｉＡｌＭ）Ｎ皮膜に限らない。

まず、原料粉末として、Ｃｏ粉末、ＶＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２粉末、ＷＣ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ボールミルで７２時間湿式混合し、減圧乾燥した後、１００ＭＰａの圧力でプレス成形し、これらの圧粉成形体を焼結し、所定寸法となるように加工して、ＩＳＯ規格ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＴＮ１のインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体１〜３を作製した。

次に、工具基体１〜３にＡＩＰ蒸着源と直流（ＤＣ）スパッタリング蒸着源を持つ成膜装置を用いて硬質皮膜層を形成すべく、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、該装置内の回転テーブル上の中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に外周部にそって装着する。また、カソード電極（蒸発源）として、Ｗターゲット、Ｃｒターゲット、Ｔｉターゲット、そして、所定組成の硬質皮膜を得るためのＴｉ−Ａｌ−Ｍ合金ターゲットを配置した。

続いて、成膜装置内を排気して１０^−２Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を４００〜１０００℃に加熱した後、０．１〜２．０ＰａのＡｒガス雰囲気に設定し、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−２００〜−１５００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、アルゴンイオンによって、工具基体表面を１０〜１２０分間ボンバード処理した。

成膜装置内に反応ガスとして、表２に示す分圧が０．１〜１．０Ｐａの範囲内のＡｒガスを所定時間導入すると共に、同じく表２に示す炉内温度に維持し、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に、表２に示す−１５０〜−１５００Ｖの範囲内の所定の直流バイアス電圧を印加して、Ｗターゲットのスパッタリング電力を５００〜１０００Ｗで調整し、Ｗ膜を成膜する。続いて、Ｃｒ含有量が所定量になるように、Ｃｒターゲットのアーク電流を８０〜２４０Ａの範囲内で調整し、Ｗターゲットのスパッタリング電力を５００〜１０００Ｗで調整し、ＷＣｒ膜を成膜し、その後、表２に示す分圧が１．０〜５．０Ｐａの範囲内の窒素ガスを所定時間導入して、Ｔｉ−Ａｌ−Ｍ合金ターゲットからなるカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間に、表２に示す８０〜２４０Ａの範囲内の所定の電流を流してアーク放電を発生させ、表３に示す本発明の被覆工具（以下、「本発明工具」という）１〜９を作製した。

なお、ＷＣｒ膜の形成時には、表２に示すように、Ｃｒターゲットのアーク電流を初期値から終了値のアーク電流に変化させた。ＣｒイオンはＷ膜にイオン注入されＷＣｒ膜を形成し、かつ、Ｗ膜のエッチングも同時に起こす。

一方、比較のため、前記工具基体１〜３に対して、前記と同じ成膜装置を用いて、表２に示す条件で硬質皮膜層を蒸着形成し、表４に示す比較例の皮膜工具（以下、「比較例工具」という）１〜３を作製した。

硬質皮膜層の平均層厚、硬質皮膜の平均組成および界面領域のＣｒの含有割合は、前記で作製した本発明工具１〜９および比較例工具１〜３の工具基体表面に垂直な硬質皮膜層の縦断面について、工具基体表面に平行な方向の幅が１０μｍであり、硬質皮膜層の厚み領域が全て含まれるよう設定された視野について、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）を用いた断面観察により求めた。

具体的には、各膜の平均膜厚は観察断面（縦断面）を５０００倍に拡大して、５点の膜厚を求めて平均層厚を算出した。界面領域のＣｒ含有割合ｘについては、厚さ方向に５本のＴＥＭ−ＥＤＳ線分析を行って求めた。界面領域のＣｒ含有量はＴＥＭ−ＥＤＳを用いて、工具基体と硬質皮膜層の界面領域において、ＥＤＳ線分析を行って求めた。ここで、工具基体から硬質皮膜層側へＴＥＭ−ＥＤＳ線分析を行い、ＷＣではなく、Ｗのみが最初に検出された点をＷ膜の工具基体側とし、ＷだけではなくＣｒが検出され、そこでのＣｒ含有割合ｘが１〜３０原子％である領域をＷＣｒとし、該領域の硬質皮膜側は、界面領域の最も工具表面側であって、この領域よりも工具表面側の領域ではＷが存在しない領域を工具表面側として、Ｗ膜およびＷＣｒ膜の厚さ、ＷＣｒ膜の平均組成を表３、４に記載した。
なお、表３、４において、硬質皮膜の組成は、（Ｔｉ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙ）Ｎで表される。

次いで、本発明工具１〜９および比較例工具１〜３について、ＳＥ４４５Ｒ０５０６Ｅのカッタを用いて、単刃の正面フライス切削加工試験を実施した。以下の切削条件で、ニッケル合金およびチタン合金について高速切削加工試験を実施した。
切削条件Ａ：
被削材：質量％で、Ｎｉ−１９％Ｃｒ−１８．５％Ｆｅ−５．２％Ｃｄ−５％Ｔａ−３％Ｍｏ−０．９％Ｔｉ−０．５％Ａｌ−０．３％Ｓｉ−０．２％Ｍｎ−０．０５％Ｃｕ−０．０４％Ｃの組成を有するＮｉ基合金の幅６０ｍｍ×長さ２００ｍｍのブロック材
切削速度： ６５ ｍ／ｍｉｎ．
切り込み： １．５ ｍｍ
送り： ０．１０ ｍｍ／ｔｏｏｔｈ．
の条件でのＮｉ基合金の湿式高速高送り切削加工試験（ 通常の切削速度および送りは、２５〜４０ ｍ／ｍｉｎ．、０．０８ｍｍ／ｔｏｏｔｈ）を行った。切削長１．８ｍまで切削し、逃げ面摩耗幅を測定し、刃先の損耗状態を観察した。
切削試験の結果を表５に示す。

切削条件Ｂ：
被削材：質量％で、Ｔｉ−６％Ａｌ−４％Ｖの幅６０ｍｍ×長さ２００ｍｍのブロック材
切削速度： ８５ ｍ／ｍｉｎ．
切り込み： １．５ ｍｍ
送り： ０．１０ ｍｍ／ｔｏｏｔｈ．
の条件でのＴｉ基合金の湿式高速高送り切削加工試験（ 通常の切削速度および送りは、３０〜４５ ｍ／ｍｉｎ．、０．０８ｍｍ／ｔｏｏｔｈ）を行った。切削長１．８ｍまで切削し、逃げ面摩耗幅を測定し、刃先の損耗状態を観察した。
切削試験の結果を表６に示す。

表５および表６の結果によれば、本発明工具１〜９については、切削条件Ａ、Ｂのいずれでもチッピング、剥離等の異常損傷の発生はなく、耐溶着性、耐チッピング性のいずれにも優れていることがわかる。
これに対して、比較例工具１〜３については、切削条件Ａ、Ｂのいずれにおいても、チッピングの発生、あるいは、逃げ面摩耗の進行により、短時間で寿命に至ることは明らかである。

本発明の表面被覆切削工具は、各種の鋼などの通常の切削条件での切削加工は勿論のこと、特に、高熱発生を伴うとともに、切刃部に対して大きな負荷がかかるチタン合金、ニッケル合金等の高速切削加工において、優れた耐溶着性および耐チッピング性を発揮し、長期にわたってすぐれた切削性能を示すものであるから、切削加工装置の高性能化、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 (3)

1. 工具基体の表面に、平均膜厚が０．５〜１０．０μｍの硬質皮膜を少なくとも有する表面被覆切削工具であって、
   前記工具基体の表面と前記硬質皮膜との界面の前記工具基体の直上にＷ膜、該Ｗ膜の直上に前記硬質皮膜に接するＷ_１−ｘＣｒ_ｘ膜（ｘは原子比で０．０１≦ｘ≦０．３０）を有していることを特徴とする表面被覆切削工具。
2. 前記Ｗ膜の平均厚さは１０〜１０００ｎｍ、前記Ｗ_１−ｘＣｒ_ｘ膜の平均厚さは５〜５００ｎｍであ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。
3. 前記Ｗ_１−ｘＣｒ_ｘ膜において、前記ｘの値が工具表面側に向かって増加していることを特徴とする請求項１または２に記載の表面被覆切削工具。

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