JP2023135782A - 被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】硬さが軟鋼から４０ＨＲＣ程度までの合金鋼に対し耐久性に優れる被覆切削工具の提供【解決手段】基材と、前記基材の上に硬質皮膜を有する被覆切削工具であって、前記硬質皮膜は、ＡｌｘＴｉｙＭｏｚ(ｘは原子比率におけるＡｌの含有割合（原子％）、yは原子比率におけるＴｉの含有割合（原子％）、zは原子比率におけるＭｏの含有割合（原子％）であり、４５≦ｘ≦５５、１≦ｚ≦３、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００)の複合窒化物皮膜を含み、前記複合窒化物皮膜は前記基材の表面に対して皮膜の厚さ方向に成長した柱状粒子の集合から構成され、その粒子の結晶構造は面心立方格子構造であり、Ｘ線回折において（２００）面が最大強度であり、前記（２００）面の半値幅は０．５８°以上０．７０°以下であることを特徴とする被覆切削工具。【選択図】図１

Description

本発明は、被覆切削工具に関する。

ＡｌＴｉ窒化物は耐摩耗性と耐熱性に優れる膜種であり被覆切削工具に広く適用されている。耐摩耗性や潤滑性を改善するためにＡｌＴｉ窒化物に金属元素を添加する場合がある。例えば、特許文献１にはＡｌＴｉ窒化物にＭｏ、Ｗ等の金属元素を添加した被覆切削工具を開示している。

国際公開公報第２０１４／１３６７５５号

本発明者等は、被覆切削工具に用いられている従来のＡｌＴｉ窒化物にＭｏやＷを添加した硬質皮膜について、硬さが軟鋼から４０ＨＲＣ（ロックウェルＣ硬さ）程度までの合金鋼を切削対象としたとき、その硬質皮膜の耐久性に改善の余地があることを確認した。また、この硬質皮膜はＡｌＴｉ複合窒化物に添加する金属元素が多くなる場合、ターゲットのコストが高くなるとともに、アーク放電が安定せずに異常放電が発生して、突発的なターゲット損傷が発生するときがあることも確認した。

本発明は前記の事情に鑑み、ＡｌＴｉ複合窒化物に添加する金属元素を少なくした上で、硬さが軟鋼から４０ＨＲＣ程度までの合金鋼を切削対象としたとき、耐久性に優れる被覆切削工具を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係る被覆切削工具は、
基材と、前記基材の上に硬質皮膜を有し、
前記硬質皮膜は、ＡｌｘＴｉｙＭｏｚ(ｘは原子比率におけるＡｌの含有割合（原子％）、ｙは原子比率におけるＴｉの含有割合（原子％）、zは原子比率におけるＭｏの含有割合（原子％）であり、４５≦ｘ≦５５、１≦ｚ≦３、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００)の複合窒化物皮膜を含み、
前記複合窒化物皮膜は前記基材の表面に対して皮膜の厚さ方向に成長した柱状粒子の集合から構成され、その粒子の結晶構造は面心立方格子構造であり、Ｘ線回折において（２００）面が最大強度であり、前記（２００）面の半値幅は０．５８°以上０．７０°以下である被覆切削工具である。

前記実施形態に係る被覆切削工具は、次の（１）、（２）の１以上を満足してもよい。
（１）前記複合窒化物皮膜のナノインデンテーション硬度は３０ＧＰａ以上、３８ＧＰａ以下であること。
（２）Ｘ線回折において前記（２００）面の回折強度は、（１１１）面の回折強度の５倍以上であること。

前記実施形態に係る被覆切削工具は硬さが軟鋼から４０ＨＲＣ程度までの合金鋼の切削加工において耐久性に優れる。また、その硬質皮膜はＡｌＴｉ複合窒化物とほぼ同等の製造コストおよび成膜の安定性で被覆することができる。

実施例１の硬質皮膜の断面観察写真（倍率１５，０００倍）である。 比較例１の硬質皮膜の断面観察写真（倍率１５，０００倍）である。 実施例１の摺動試験における摩擦係数の時間変化を示す図である。 実施例１の摺動試験後の硬質皮膜表面の観察写真である。 比較例３の摺動試験における摩擦係数の時間変化を示す図である。 比較例３の摺動試験後の硬質皮膜表面の観察写真である。 比較例４の摺動試験における摩擦係数の時間変化を示す図である。 比較例４の摺動試験後の硬質皮膜表面の観察写真である。 比較例５の摺動試験における摩擦係数の時間変化を示す図である。 比較例５の摺動試験後の硬質皮膜表面の観察写真である。 比較例６の摺動試験における摩擦係数の時間変化を示す図である。 比較例６の摺動試験後の硬質皮膜表面の観察写真である。 比較例７の摺動試験における摩擦係数の時間変化を示す図である。 比較例７の摺動試験後の硬質皮膜表面の観察写真である。 比較例９の摺動試験における摩擦係数の時間変化を示す図である。 比較例９の摺動試験後の硬質皮膜表面の観察写真である。 比較例１０の摺動試験における摩擦係数の時間変化を示す図である。 比較例１０の摺動試験後の硬質皮膜表面の観察写真である。

本発明者等は、製造コストと成膜の安定性を考慮して、ＡｌＴｉ窒化物へ添加する金属元素が微量であっても耐溶着性や潤滑性を向上させることができないかを検討した。そして、Ｍｏを微量添加した上で皮膜組織を適度に微細化することで耐溶着性や潤滑性に優れることを知見した。そして、当該硬質皮膜を適用した被覆切削工具は、硬さが軟鋼から４０ＨＲＣ程度までの合金鋼を切削対象としたとき、耐久性が優れることも知見した。以下、本発明の実施形態の詳細について説明をする。

本実施形態に係る硬質皮膜は、ＡｌｘＴｉｙＭｏｚ(ｘは原子比率におけるＡｌの含有割合（原子％）、ｙは原子比率におけるＴｉの含有割合（原子％）、ｚは原子比率におけるＭｏの含有割合（原子％）であり、４５≦ｘ≦５５、１≦ｚ≦３、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００)の複合窒化物である。
被覆切削工具の硬質皮膜として用いたとき、ＡｌＴｉをベースとする複合窒化物は耐熱性と耐摩耗性に優れる。Ａｌは硬質皮膜に耐熱性を付与する元素である。Ｔｉは硬質皮膜に耐摩耗性を付与する元素である。

Ａｌを含有することで硬質皮膜の耐熱性がより高まるとともに、切削加工中の硬質皮膜表面に酸化保護皮膜が均一に形成されて硬質皮膜の摩耗が抑制され易くなる。一方、Ａｌの含有量が大きくなり過ぎると皮膜組織が微細化し過ぎて、軟鋼から硬さが４０ＨＲＣ程度までの合金鋼の加工において被覆切削工具の耐久性が低下する場合がある。
そのため、硬さが軟鋼から４０ＨＲＣ程度までの合金鋼の切削加工において工具の耐久性を高めるために、本実施形態に係る硬質皮膜は、Ａｌの含有割合ｘ（原子％）を４５≦ｘ≦５５以下とすることが好ましい。

Ｍｏは硬質皮膜に潤滑性を付与する元素である。硬質皮膜中のＭｏ元素が切削加工中に硬質皮膜表面に酸化保護皮膜を形成することで潤滑性を向上させることができる。
本実施形態においては、Ｍｏ添加がもたらす潤滑性を十分に発揮しつつ、製造の安定性とターゲットのコスト増加を抑えるためにＭｏの含有割合ｚ（原子％）を１≦ｚ≦３以下とする。Ｍｏの含有量が多いターゲットは成膜中に突発的に割れが発生する場合があり製造が不安定である。また、Ｍｏを多く含有させるとターゲットコストが増加する。そのため、本実施形態においてはＭｏ含有量を３原子％以下と少なくする。より好ましくは、Ｍｏ含有量は２原子％以下である。

本実施形態に係る硬質皮膜の金属元素の含有割合（原子％）は、鏡面加工した硬質皮膜について、電子プローブマイクロアナライザー装置（ＥＰＭＡ）を用いて測定することができる。この場合、例えば、硬質皮膜表面の鏡面加工後、直径が約１μｍの分析範囲を６点分析した平均から求めることができる。平均を求めるにあたり、小数点以下の値は四捨五入する。

本実施形態に係る硬質皮膜を構成する粒子は面心立方格子構造であり、Ｘ線回折において（２００）面が最大強度を示す。（２００）面が最大強度を示すことで基材に対して垂直に形成された柱状粒子が多い皮膜組織となる。本実施形態に係る硬質皮膜のナノインデンテーション硬度は３０ＧＰａ以上３８ＧＰａ以下であることが好ましい。（２００）面の回折強度／（１１１）面の回折強度は５以上が好ましい。更には（２００）面の回折強度／（１１１）面の回折強度は７以上が好ましい。（２００）面の回折強度／（１１１）面の回折強度の上限値は１５程度である。

Ｍｏを微量添加したＡｌＴｉＭｏ窒化物の硬質皮膜について潤滑性を高めるためには、硬質皮膜のＸＲＤ分析から求められる半値幅（単位は°：ｆｕｌｌ ｗｉｄｔｈ ａｔ ｈａｌｆ ｍａｘｉｍｕｍ）が所定の大きさであることが好ましい。すなわち、半値幅の値が大きくなると皮膜組織が微細となり、半値幅の値が小さくなると皮膜組織が粗大となる傾向にあり、（２００）面の半値幅は０．５８°以上０．７０°以下が好ましい。
（２００）面の半値幅が０．５８°以上であることで、硬さが軟鋼から４０ＨＲＣ程度までの合金鋼の切削加工において硬質皮膜が耐久性に優れる。（２００）面の半値幅が０．５８°以上になることで皮膜組織が程よく微細化してＭｏの酸化保護皮膜が皮膜表面に均一に形成する。

一方、半値幅が大きくなり過ぎれば皮膜組織が微細になり過ぎて、軟鋼から硬さが４０ＨＲＣ程度までの合金鋼の切削加工においては被覆切削工具の損傷が大きくなる。そのため半値幅の上限値は０．７０°以下とする。半値幅は０．６０°以上０．６８°以下であることがより好ましい。

本実施形態の被覆切削工具は、硬質皮膜の密着性をより向上させるため、選択的に、基材と硬質皮膜との間に別途中間皮膜を設けてもよい（中間皮膜を設けなくても前述の目的は達成できる）。中間皮膜は、例えば、金属、窒化物、炭窒化物、炭化物（これらの化合物は化学量論的組成に限定されない）のいずれかからなる層の１以上である。
また、本実施形態に係る硬質皮膜の上に、本実施形態に係る硬質皮膜と異なる成分比や異なる組成を有する皮膜を別途形成させてもよい（形成させなくても、前述の目的は達成できる）。さらには、本実施形態に係る硬質皮膜と、別途本実施形態に係る硬質皮膜と異なる組成比や異なる組成を有する硬質皮膜とを交互積層させてもよい。
本実施形態に係る硬質皮膜の平均厚さは、１．０μｍ以上５．０μｍ以下であることが好ましいが、これに限定されない。

本実施形態において、基材は特段限定されるものではない。従来公知のサーメットや超硬合金を用途に応じて適宜適用すればよく、その形状はインサート、ドリルなど公知の切削工具の形状でよい。基材は、被覆層を形成する前に予め窒化処理やボンバード処理等をしてもよい。

つぎに、実施例について説明する。本発明は、実施例に何ら限定されるものではない。

物性評価用の実施例（実施例１という）として、基材は、ＷＣ基超硬合金（１１質量％Ｃｏ、０．６質量％Ｃｒ_３Ｃ_２、０．３質量％のＴａＣ、残部ＷＣおよび不可避的不純物からなる）のインサート（ＩＳＯ規格のＳＮＭＮ１２０４０８）を用意した。
切削試験用の実施例（実施例１’という）として、基材は、ＷＣ基超硬合金（１１.５質量％Ｃｏ、０．７質量％Ｃｒ_３Ｃ_２、２. ０質量％のＴａＣ、残部ＷＣおよび不可避的不純物からなる）のインサート（ＩＳＯ規格のＥＰＮＷ０６０３ＴＮ－８）を用意した。
以下に述べる成膜条件は、実施例１も実施例１’も同じであった。

硬質皮膜の被覆にはアークイオンプレーティング装置を使用した。合金ターゲットを蒸着源として装置内に設置した。まず、炉内温度を５００℃としてＡｒイオンによる基材のクリーニング（ボンバード処理）を実施した。次いで、アークイオンプレーティング装置の炉内圧力を５．０×１０^－３Ｐａ以下に真空排気して、炉内圧力が３．２ＰａになるようにＮ_２ガスを導入した。次いで、基材に直流バイアス電圧またはパルスバイアス電圧を印加し、合金ターゲットに電流を供給して、基材の表面に約３．０μｍの平均厚さの硬質皮膜を被覆した。成膜条件を表１に示す。

これに対して、物性評価用の比較例（比較例１～１０）のために実施例１と同じ基材を、切削試験用の比較例（比較例１’～１０’）のために実施例１’と同じ基材をそれぞれ用意した。そして、実施例１、１’と同様のボンバード処理を実施した後、アークイオンプレーティング装置の炉内圧力を５．０×１０^－３Ｐａ以下に真空排気して、装置圧力が３．２ＰａになるようにＮ_２ガスを導入し、表１に示す成膜条件により成膜を行い、基材の表面に約３．０μｍの平均厚さの硬質皮膜を被覆した。

以下に述べる方法により、実施例および比較例の硬質皮膜の物性を調べた。

硬質皮膜の皮膜組成は、ショットキー型電子プローブマイクロアナライザー（株式会社日本電子製 ＪＸＡ－８５３０Ｆ）に付属する波長分散型電子プローブ微小分析（ＷＤＳ－ＥＰＭＡ）で測定した。物性評価用のインサート（実施例１）を鏡面加工して、加速電圧１０ｋＶ、照射電流５×１０^－８Ａ、取り込み時間１０秒とし、分析領域が直径１μｍの範囲を６点測定してその平均値から硬質皮膜の金属含有比率を求めた。平均を求めるにあたり、小数点以下の値は四捨五入した。

硬質皮膜の結晶構造は、Ｘ線回折装置（株式会社ＰａＮａｌｙｔｉｃａｌ製 ＥＭＰＹＲＥＡ）を用い、管電圧４５ｋＶ、管電流４０ｍＡ、Ｘ線源Ｃｕｋα（λ＝０．１５４０５ｎｍ）、２θが２０～８０°の測定条件で解析を行った。

硬質皮膜の残留圧縮応力は、粗さ測定器(東京精密製表面粗さ測定器ＤＸ－２３)を用い、測定長さ２２ｍｍ、測定速度１．５ｍｍ／ｓの測定条件で試料のたわみ量を測定し、[数１]を用いて算出し、表２に圧縮応力として示す。なお、[数１]において、Ｅｓ値は基材のヤング率、Ｄ値は試験片の厚み、δ値は被覆前後で生じる試験片のたわみ量、L値は被覆によってたわみが生じた試験片の長さ方向端面から、最大たわみ部までの長さ、ｖｓ値は試験片に使用した基材のポアソン比、およびｄは試験片表面に被覆した硬質皮膜の平均厚さである。

硬質皮膜の皮膜硬度は、ナノインデンテーションテスター（株式会社エリオニクス社製ＥＮＴ－２１００）を用いて分析した。分析は、皮膜の最表面に対し試験片を５度傾けた皮膜断面を鏡面研磨後、皮膜の研磨面内で最大押し込み深さが膜厚の略１／１０未満となる領域を選定した。押し込み荷重９．８０７ｍＮの測定条件で２０点測定し、その平均値から求めた。皮膜組成および物性評価の結果を表２に、硬度として示す。

表２において、「ＸＲＤ（２００）／（１１１）」は、「（（２００）面の回折強度）／（（１１１）面の回折強度）」を表す。小数点以下は四捨五入している。

図１に実施例１、図２に比較例１の硬質皮膜の断面観察写真を示す。実施例１は柱状組織であった。これに対して、Ａｌ含有量が多い比較例１は粒状組織であった。

また、実施例１、比較例３～７、９および１０について、多機能摩擦摩耗試験機（ブルカー株式会社製ＵＭＴ Ｔｒｉｂｏｌａｂ）を用い、周速２５ｍｍ／ｓ、摺動半径３ｍｍ、荷重５Ｎ、温度８００℃、摺動時間１０ｍｉｎ、相手材ＳＵＪ２の測定条件で摩擦係数変化の変化を調べた。

図３～１８に摺動試験後の硬質皮膜表面の観察写真および摩擦係数プロファイルを示す。
実施例１は摩耗係数が小さい傾向にあり摺動試験後の硬質皮膜表面に大きな皮膜損傷が確認されなかった。比較例は実施例に比べて摺動試験後の硬質皮膜表面の損傷が大きかった。

続いて、硬さが軟鋼からＨＲＣ４０程度の合金鋼を被削材として、実施例１’および比較例１’～１０’に対して切削試験を行った。各試料の工具寿命は比較例８’の工具寿命を１として比で算出した。切削条件を表３に、切削結果を表４にそれぞれ示す。
なお、表３の工具、ＡＳＲＳ２０３２Ｒ－ＡＳＲＳ２０３２Ｒ－５は、出願人が販売しているカッターの品番である。

表４において、「－」は、切削試験を実施しなかったことを表す。

実施例１’は工具損傷が安定しており何れの被削材についても優れた耐久性を示した。いずれの比較例も実施例１’に比べて工具損傷が大きく安定しなかった。実施例１’は、皮膜組成および組織が適切であり摺動試験と同様に皮膜損傷が抑制されて、何れの被削材に対しても耐久性が優れたといえる。

Claims (3)

1. 基材と、前記基材の上に硬質皮膜を有する被覆切削工具であって、
   前記硬質皮膜は、ＡｌｘＴｉｙＭｏｚ(ｘは原子比率におけるＡｌの含有割合（原子％）、yは原子比率におけるＴｉの含有割合（原子％）、zは原子比率におけるＭｏの含有割合（原子％）であり、４５≦ｘ≦５５、１≦ｚ≦３、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００)の複合窒化物皮膜を含み、
   前記複合窒化物皮膜は前記基材の表面に対して皮膜の厚さ方向に成長した柱状粒子の集合から構成され、その粒子の結晶構造は面心立方格子構造であり、Ｘ線回折において（２００）面が最大強度であり、前記（２００）面の半値幅は０．５８°以上０．７０°以下であることを特徴とする被覆切削工具。
2. 前記複合窒化物皮膜のナノインデンテーション硬度は３０ＧＰａ以上３８ＧＰａ以下であることを特徴とする請求項１に記載の被覆切削工具。
3. Ｘ線回折において前記（２００）面の回折強度は、（１１１）面の回折強度の５倍以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の被覆切削工具。

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