JP3859658B2

JP3859658B2 - 表面被覆スローアウェイチップ

Info

Publication number: JP3859658B2
Application number: JP2004118341A
Authority: JP
Inventors: 吉生岡田; 直也大森; 治世福井; 淳也沖田
Original assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Current assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Priority date: 2004-04-13
Filing date: 2004-04-13
Publication date: 2006-12-20
Anticipated expiration: 2024-04-13
Also published as: JP2005297142A

Description

本発明は、基材表面に被覆層を具えるスローアウェイチップに関するものである。特に、潤滑性に優れ、鋼材などの切削に好適な表面被覆スローアウェイチップに関するものである。

近年、切削加工の高能率化、高精度化の要求を満たすために、新しい切削工具材料が次々と開発されている。このような材料開発の流れの中で、工具基材の表面にセラミックスからなる被覆層を施すセラミックスコーティング技術は、切削工具に欠かせない技術となっている。

高速、高送りといった高速高能率加工に利用される切削工具の被覆層として、炭化チタン(TiC)、窒化チタン(TiN)、炭窒化チタン(Ti(C，N))といったチタン系セラミックスや、アルミナ(Al₂O₃)、ジルコニア(ZrO₂)などの酸化物系セラミックスが広く用いられている。

上記高速高能率加工に加え、最近は、地球環境保護のために切削油を極端に減らしたミスト加工法、或いは切削油を使用しないドライ加工法が注目されている。これらの加工法に対応するべく、耐溶着性に優れる被覆層や切粉すべり機能を有する被覆層を具える切削工具が提案されている(特許文献1、2参照)。その他、放熱性などの特性を向上するべく、窒化アルミニウムからなる被覆層を具える切削工具が提案されている(特許文献3〜7参照)。

特開平10-158861号公報特開2002-225808号公報特公昭59-27302号公報特許第2861113号公報特開2002-273607号公報特開2002-19604号公報特開2003-25112号公報

しかしながら、上記従来の切削工具ではいずれも、切削油を用いないドライ加工において潤滑機能が不十分であるため、工具寿命が短くなっており、潤滑性を向上させて、工具寿命をより長くすることが望まれている。

そこで、本発明の主目的は、潤滑性を改善して工具寿命がより長い表面被覆スローアウェイチップを提供することにある。

本発明は、切削時、被削材と最初に接触する最外層に潤滑性を付与するべく、最外層の組成を規定して特定の元素を含有させると共に、耐摩耗性と耐欠損性との向上を図るべく、内層を特定組成の膜とすることを規定することで上記目的を達成する。

即ち、本発明は、基材表面に被覆層を具える表面被覆スローアウェイチップであって、前記被覆層は、基材上に形成される内層と、この内層上に形成される最外層とからなり、最外層及び内層は、以下を満たすものとする。
＜内層＞
周期律表IVa、Va、VIa族金属、Al、Si、Bから選ばれる1種以上の第一元素と、B、C、N、Oから選ばれる1種以上の第二元素とからなる化合物からなる(但し、第一元素がBのみの場合、第二元素は、B以外とする)
＜最外層＞
窒化アルミニウム又は炭窒化アルミニウムからなり、最外層中に塩素を0超0.5原子％以下含有する

本発明者らは、切削油を使用しないドライ加工や断続切削などといった刃先が高温になる加工条件であっても、工具寿命をより長くすることができるように、被覆層の特性を改善すると共に、被覆層の相互の関連性について鋭意検討した。その結果、潤滑性に優れる被覆膜を最外層とすると共に、特定組成の被覆膜を内層に具えることが工具寿命の延命に効果的であるとの知見を得た。具体的には、上記のように特定量の塩素を含む窒化系アルミニウムからなる膜を最外層とすることで、ドライ加工や断続切削であっても、潤滑性を持たせることができ、結果的に耐溶着性を向上させて、被覆層の剥離を防止することができる。また、潤滑性に優れることで、工具に加えられる切削抵抗を低下させると共に、特定組成の膜で内層を形成することで、耐欠損性及び耐摩耗性をも向上することができる。更に、潤滑性に優れる膜を具えることで、切削加工後の被削材表面において工具が接触したことによる表面のむしれが少なく、高品位で高精度な被削材製品を得ることができるとの知見も得た。これらの知見に基づき、本発明を規定する。

上記のように工具寿命を向上できた理由は、現段階において以下のように考えられる。窒化系アルミニウムからなる膜は、そもそも熱的安定性と潤滑性とを有している。また、このような膜に特定量の塩素を含有させると、ドライ加工や高速高送り加工などの刃先の温度が高温になり易い加工において、切削加工に伴い刃先が900℃程度の高温の状況下となった際、工具表面に保護被膜を形成し易くなる。この保護被膜により、潤滑性を高めることが可能となり、工具の耐溶着性を向上させることができたと考えられる。また、内層を特定組成からなる膜で形成することで、耐摩耗性を損なうことが少なく、潤滑性と耐摩耗性との双方に優れる工具とすることができたと考えられる。以下、本発明をより詳しく説明する。

(被覆層)
＜最外層＞
本発明において、切削時、被削材に最初に接触する最外層は、窒化アルミニウム、又は炭窒化アルミニウムといったアルミニウム化合物からなるものとする。そして、本発明では、この窒化系アルミニウムからなる膜に塩素を含有させる。具体的には、最外層中に0超0.5原子％以下の塩素を含有させる。最外層に0.5原子％以下の塩素を含有することで、高温での切削環境下において保護被膜を形成することができ、潤滑性の向上を図ることができる。0.5原子％を超えて塩素を含むと、被覆層の強度が極端に落ち、最外層を形成する膜が容易に剥離してしまう。また、塩素を全く含有させないと、上記のように保護被膜の形成がなされない。特に好ましい塩素含有量は、0.07原子％以上0.3原子％以下である。最外層に0超0.5原子％以下の塩素を含ませる方法としては、上記窒化系アルミニウムからなる膜の形成に熱CVD法、プラズマCVD法といった化学的蒸着法(CVD法)を利用する場合、反応ガスに塩素含有ガス、例えば、塩化水素(HCl)を用いることが挙げられる。このとき、塩化水素の含有量は、反応ガス全体を100容量％として、0超5.0容量％未満、特に、1.0容量％以下とすることが挙げられる。また、窒化系アルミニウムからなる膜の形成にアーク式イオンプレーティング法、マグネトロンスパッタ法といった物理的蒸着法(PVD法)を利用する場合、膜形成後、イオン注入法により塩素イオンを注入することが挙げられる。このとき、注入量を適宜調整することで、最外層中の塩素の含有量を調整するとよい。

上記最外層は、更に酸素を含有していてもよい。即ち、最外層は、窒化アルミニウム、炭窒化アルミニウムだけでなく、窒酸化アルミニウム、炭窒酸化アルミニウムからなる膜としてもよい。酸素を含有させることで、保護被膜をより形成し易くなる。

このような最外層は、その膜厚を後述する内層の合計膜厚の1/2以下とすることが好ましい。このとき、被覆層は、保護被膜の形成機能(潤滑機能)と耐摩耗性とをバランスよく具えることができる。1/2超とすると、最外層が厚くなることで、潤滑性に優れるものの摩耗し易くなるため、工具寿命を短くする恐れがある。特に、最外層の膜厚は、0.03μm以上10μm以下が好ましい。0.03μm未満では、十分な潤滑機能が得られにくく、10μm超では、上記と同様に内層よりも最外層の方が厚くなって、耐摩耗性を低下させ易い。膜厚の測定は、例えば、被覆層を具えるスローアウェイチップを切断し、その断面をSEM(走査型電子顕微鏡)を用いて観察して求めることが挙げられる。

この最外層において、刃先稜線部分近傍で被削材と接触する箇所の面粗さは、切削工具断面から観察する方法で測定される5μmに対してRmaxで1.3μm以下であることが好ましい。本発明者らが調べたところ、最外層において上記接触する箇所の表面粗さが1.3μmより粗くなると、被削材の溶着が発生し易くなり、潤滑効果が発揮しにくくなることが判った。この面粗さは、最外層成膜後、基材を切断してその断面をラッピングし、金属顕微鏡や電子顕微鏡などで膜表面の凹凸状況を基準長さ5μmの範囲で観察した際の最大面粗さ(Rmax)とし、巨視的なうねりなどは排除する。また、この面粗さは、成膜条件によってある程度制御することができる。例えば、成膜温度を高温にするほど、結晶組織が粗くなるため、引いては膜表面の面粗度が粗くなる。そこで、成膜温度を低めにすることが挙げられる。このように特に成膜後、特別な処理を施すことなく成膜完了状態においてRmaxで1.3μm以下とすることができるが、成膜後に、例えば、バフ、ブラシ、バレルや弾性砥石などによる研磨を施したり、マイクロブラスト、ショットピーニング、イオンビーム照射による表面改質を行うことによって、面粗さを変化させることも可能である。

＜内層＞
本発明において内層は、周期律表IVa、Va、VIa族金属、Al、Si、Bから選ばれる1種以上の第一元素と、B、C、N、Oから選ばれる1種以上の第二元素とからなる化合物から構成されるものとする(但し、第一元素がBのみの場合、第二元素は、B以外とする)。特に、TiCN、TiN、TiBN、TiCNOなどのTiを含む化合物膜やAl₂O₃やZrO₂などの酸化物膜は、耐摩耗性に優れて好ましい。また、TiNは、基材との密着性が高いため、最内層とすることが好ましい。このような内層は、単一の膜でもよいし、複数の膜から構成してもよい。内層を複数の膜にて構成する場合、各膜の組成や組織を異ならせるとよい。また、内層は、熱CVD法、プラズマCVD法などのCVD法、アーク式イオンプレーティング法、マグネトロンスパッタ法などのPVD法のいずれで形成してもよい。公知の条件にて形成してもよい。

上記最外層及び内層からなる被覆層全体の膜厚は、0.1μm以上30.0μm以下とすることが好ましい。被覆層全体の膜厚が0.1μm未満の場合、耐摩耗性の向上効果が得られにくい。30.0μm超の場合、被覆層が厚くなることで耐摩耗性の向上は実現できるが、高硬度となるために欠損が生じ易く、欠けによる寿命が多発して安定した加工が困難になり易い。

上記最外層は、内層を構成する少なくとも一つの膜よりも、膜硬度が低いことが好ましい。即ち、内層には、最外層よりも膜硬度が高い膜を具えることが好ましい。最外層の膜硬度が低いことで、切削初期に工具が被削材に食いつく際に生じる欠損や、断続切削による欠損などを防止することができ、安定した加工が可能となる。膜硬度は、膜組成により変化させるほか、成膜条件によって膜の組織構造を変化させることにより変化させることができる。膜組成が同じ場合、膜の組織構造が微粒であるほど、膜硬度が高くなる傾向にある。各膜の硬度の測定は、被覆層を具えるスローアウェイチップを切断し、その断面において行うとよい。なお、基材の表面に上記最外層及び内層からなる被覆層を成膜後、従来と同様に切れ刃稜線部に研磨処理やレーザー処理などの表面処理を施してももちろんよい。本発明スローアウェイチップは、このような表面処理によって被覆層の特性を著しく損なうことはない。

(基材)
本発明において基材は、WC基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶型窒化硼素焼結体、及び窒化ケイ素焼結体のいずれかから構成されるものを利用することが好ましい。また、WC基超硬合金、サーメットからなる基材を利用する場合、WC以外の硬質相が消失したいわゆる脱β相、硬質相が消失して結合相に富むバインダー富化層、結合相を低減させた表面硬化層といった表面改質層が基材表面に存在しても本発明の効果は認められる。

以上説明したように本発明表面被覆スローアウェイチップによれば、特定の被覆層を具えることで、潤滑性に優れると共に、耐剥離性、耐欠損性にも優れ、かつ耐摩耗性を損なうことが少ない。従って、ドライ加工や高速・高能率加工といった刃先が高温状態にさらされる使用環境下であっても、優れた切削性能を有し、工具寿命をより延命化することができる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

(試験例1)
組成がWC：86質量％、Co：8.0質量％、TiC：2.0質量％、NbC：2.0質量％、ZrC：2.0質量％である材料粉末を配合し、ボールミルで72時間湿式混合して乾燥した後、ブレーカ形状が施された圧紛体にプレス成型した。この圧粉体を焼結炉にて、真空雰囲気中で1420℃、1時間の条件で焼結を行い、焼結体を得た。得られた焼結体の刃先稜線部にSiCブラシホーニング処理を施して面取り加工を行い、ISO・SNMG120408のWC基超硬合金からなるスローアウェイチップの基材を得た。

この基材表面に化学的蒸着法である熱CVD法を用いて被覆層を形成した。本試験では、基材側から順に、内層として、TiN(0.5)、TiCN(6)、TiBN(0.5)、κ-Al₂O₃(2)を形成し、最外層としてAlN(3)を形成した(括弧内の数値は膜厚である(単位μm))。表1に各膜の成膜条件、具体的には反応ガスの組成(容量％)、成膜時の圧力(kPa)、成膜温度(℃)を示す。膜厚は、成膜時間により調整した。そして、最外層を形成するAlN膜は、表1に示すように成膜条件を変化させることで、塩素含有量が異なる試料を作製した。表2に最外層の塩素含有量を示す。具体的には、最外層中に0超0.5原子％以下の塩素を含有するもの、同0.5原子％超の塩素を含有するもの、同塩素を含有しないものを作製した。塩素の含有量は、表1に示すように反応ガスのうち塩化水素(HCl)の比率を変化させることで変化させた。また、塩化水素の量により、適宜成膜時の圧力、成膜温度を変化させた。更に、最外層中に0超0.5原子％以下の塩素を含有する試料において、最外層の刃先稜線部分近傍で被削材と接触する箇所の面粗さを調べたところ、いずれも工具断面から観察する方法によって測定される基準長さ5μmに対してRmaxで1.3μm以下であった。具体的には、例えば、試料1-2では0.6μmであった。塩素の含有量は、XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)にて測定したが、組成の確認は、透過電子顕微鏡に併設の微小領域EDX(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)分析や、SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)によってもできる。また、試料ごとに各膜のヌープ硬度を調べたところ、最外層であるAlN膜は、内層のTiCN膜よりも硬度が低いことを確認した。

表2に示す最外層を有する表面被覆スローアウェイチップを用いて、表3に示す切削条件にて切削加工を行い、工具寿命となるまでの加工時間を測定した。耐剥離性試験では、繰り返し切削加工を行い、膜剥離に起因した逃げ面摩耗量が0.3mm以上となった時点を工具寿命とした。耐欠損性試験では、断続切削加工とし、欠損が生じたときを工具寿命とした。試験の結果を表4に示す。

その結果、表4に示すように最外層として、0超0.5原子％以下の塩素を含む窒化アルミニウム膜を具える試料1-1〜1-3は、ドライ加工や断続加工といった刃先が高温となる環境であっても、優れた潤滑性を発揮して、耐溶着性を向上することで耐剥離性に優れると共に、切削抵抗を下げることで耐欠損性にも優れることがわかる。また、これらの試料1-1〜1-3は、摩耗量も少なく、耐摩耗性にも優れていた。これらのことから、試料1-1〜1-3は、加工時間が長く、工具寿命の延命化を実現していることがわかる。

(試験例2)
試験例1で用いた超硬合金基材と同様のものを用意し、得られた基材表面に熱CVD法を用いて表1に示す成膜条件(ガス組成、圧力、温度)で被覆層を形成した。表5に被覆層の組成、膜厚、被覆層全体の膜厚(全膜厚)を示す。なお、表5において、基材に近い方から順に、第一膜、第二膜…としている。

表5に示す被覆層を有する表面被覆スローアウェイチップを用いて、以下に示す切削条件にて繰り返し切削加工を行い、工具寿命となるまでの加工時間を測定した。工具寿命は、逃げ面摩耗量が0.3mm以上となったときとした。試験の結果も表5に示す。

被削材：SCM435 丸棒による15秒繰り返し耐摩耗性試験
速度：V＝180m/min
送り：f＝0.2mm/rev.
切込み：d＝1.5mm
切削油：なし

その結果、表5に示すように特定量の塩素を含有する窒化系アルミニウム膜を最外層とし、特定組成の膜を内層に具える試料2-1〜2-12、2-16〜2-19、2-22、2-23は、潤滑性に優れると共に、優れた耐摩耗性を有することがわかる。

また、表5に示す結果から、最外層は、0.03μm以上、全体膜厚は0.1μm以上30μm以下が好ましいことがわかる。更に、最外層は、内層の合計厚みの1/2以下が好ましいことがわかる。

上記試料2-1〜2-23の全てのチップを切断し、最外層において、刃先稜線部近傍で被削材と接触する箇所の面粗さを基準長さ5μmで測定した結果、試料2-23を除くすべてのチップがRmaxで1.3μm以下となっていたが、試料2-23はRmaxで1.7μmであった。そこで、試料2-21の最外層において刃先稜線部近傍で被削材と接触する箇所を＃1500のダイヤモンドペーストで研磨して、同様の方法で研磨後の面粗さを測定したところ、Rmaxで0.52μmとなっていた。この研磨したチップを用いて同じ切削条件で切削試験を行った結果、工具寿命は22minとなった。これは、刃先稜線部近傍において被削材と接触する箇所の凹凸が減り、切削抵抗が下がったためであると考えられる。また、試料2-3において同様に面粗さを測定したところ、Rmaxで0.76μmであったが、上記と同様に方法で刃先を研磨し、再度切削すると工具寿命は45minとなり、大幅に改善された。

更に、上記試料2-1〜2-23において、被覆層を構成する各膜の硬度を測定したところ、試料2-22を除く全てのチップで最外層の膜硬度が内層の少なくとも1膜よりも低くかったが、試料2-22は、最外層の膜硬度が内層の膜硬度よりも高かった。このため、試料2-22は、試料2-1〜2-12と比較して切削性能が低下したと考えられる。

(試験例3)
基材を下記に変えて、表5の試料2-2、2-14と同様の組成の被覆層を公知のPVD法にて形成した後、イオン注入法を用いて塩素を最外層に含有させた表面被覆チップを作製し、試験例2と同様の切削条件で切削試験を実施した。試料2-2の被覆層を形成した試料はいずれも最外層の塩素の含有量を0.2原子％とした。
1 JIS規格：P20サーメット製の切削チップ(住友電工ハードメタル(株)製 T1200A)
2 セラミック製の切削チップ(住友電工ハードメタル(株)製 W80)
3 窒化珪素製の切削チップ(住友電工ハードメタル(株)製 NS260)
4 立方晶型窒化硼素切削チップ(住友電工ハードメタル(株)製 BN250)
その結果、試料2-2の組成の被覆層を具えるチップはいずれも、試料2-14の組成の被覆層を具える従来のチップよりも2倍以上の工具寿命を有することが確認できた。

本発明表面被覆スローアウェイチップは、特に、ドライ加工、断続加工、高速、高送り加工などといった刃先温度が高温となるような切削条件での切削加工に適する。

Claims

基材表面に被覆層を具える表面被覆スローアウェイチップにおいて、
前記被覆層は、基材上に形成される内層と、この内層上に形成される最外層とからなり、
前記内層は、
周期律表IVa、Va、VIa族金属、Al、Si、Bから選ばれる1種以上の第一元素と、B、C、N、Oから選ばれる1種以上の第二元素とからなる化合物からなり、
前記最外層は、
反応ガスにHClを用いた熱CVD法により形成され、
窒化アルミニウム又は炭窒化アルミニウムからなり、最外層中に塩素を0超0.5原子％以下含有することを特徴とする表面被覆スローアウェイチップ。
但し、内層において、第一元素がBのみの場合、第二元素は、B以外とする。
最外層には、更に酸素を含有することを特徴とする請求項1に記載の表面被覆スローアウェイチップ。
最外層の膜厚は、内層の合計膜厚の1/2以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の表面被覆スローアウェイチップ。
最外層の膜厚は、0.03μm以上10μm以下、被覆層全体の膜厚は、0.1μm以上30μm以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の表面被覆スローアウェイチップ。
最外層の膜硬度は、内層を構成する少なくとも一つの膜の硬度よりも低いことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の表面被覆スローアウェイチップ。
最外層において、刃先稜線部分近傍で被削材と接触する箇所の面粗さが、切削工具断面から観察する方法で測定される5μmに対してRmaxで1.3μm以下であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の表面被覆スローアウェイチップ。
基材は、WC基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶型窒化硼素焼結体、及び窒化ケイ素焼結体のいずれかから構成されることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の表面被覆スローアウェイチップ。