JP4850189B2 - 被覆工具 - Google Patents
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Description
本願発明の皮膜は、A層とB層との交互積層構造を有し、かつ、酸化物を主体とし、例えば、酸化アルミニウム膜よりも高硬度である。A層とB層が略同一結晶構造で個々に面間隔の異なる結晶が積層されることとなり、両層間で格子歪が発生するためである。この格子歪は、両層間の界面近傍で夫々略同一の面間隔を保ち、成長に従いA層とB層の個々の面間隔となる。両層間の界面が高い密着強度を維持し、格子歪により1GPa以上の高い残留圧縮応力を有するため、皮膜の高硬度化が達成される。この格子歪は粒成長を抑制する効果もあり、A層とB層の結晶粒子が微細化され、その結果、皮膜表面の平滑性が向上する作用をも有する。
本願発明の皮膜は交互積層構造を有し、TA値、TB値が夫々TA≦50、TB≦50、であることが、高硬度化には重要であり、工具の耐摩耗性の改善により効果的である。TA>50の場合、皮膜全体の硬度が低下するため、耐摩耗性を改善することができない。また、TB>50の場合、B層がコランダム構造を維持できないことから、皮膜全体の硬度が低下し、また皮膜の結晶粒径が粗大化するため、耐摩耗性を改善することができない。また、本願発明の皮膜が、1≦TA/TB≦5、であることが特に皮膜の高硬度化の観点から重要であり、工具の耐摩耗性の改善により効果的である。TA/TB<1、となる場合、皮膜の結晶性が低下し、皮膜硬度も低下する傾向にある。一方、TA/TB>5、の場合も同様に皮膜硬度が低下する傾向にある。TA/TB>5、の場合の硬度低下の理由は、皮膜全体に占めるA層の比率が多過ぎるからである。TA値、TB値の制御は、A層、B層の製膜用の金属ターゲットにおける蒸発量調整の他に、基体の回転速度の調整により行う。
本願発明の皮膜の被覆方法は、PVD法の中でも特にアークイオンプレーティング(以下、AIPと記す。)法を用いた。AIP法を用いた理由は、比較的低温で結晶粒径の粗大化を抑制し、皮膜の結晶粒子が微細化して高い残留圧縮応力を導入できるからである。本願発明では、成膜中にArを用いず、窒素と酸素の混合ガス雰囲気下で、3〜15Paの比較的高いガス圧を採用し、TA、TB値が夫々50nm以下の交互積層構造をもつ皮膜を成膜することが特徴である。使用した小型AIP成膜装置の真空容器内は、ターゲット表面に垂直方向の磁束密度が最大で5mT以上の磁場を有したアーク蒸発源を2基搭載している。夫々アーク蒸発源をC1、C2と称す。C1にCrターゲット、C2にAlCr合金ターゲットを装填した。AlCr合金ターゲットは、原子比でAl:50〜90%、Cr:10〜50%の範囲として安定した放電を継続させた。AlCrSiの合金ターゲットを使用する場合は、Al:50〜80%、Cr:20〜50%、Si:1〜10%の範囲であれば安定放電を継続することができる。
本願発明では以下に示す成膜条件を採用することによって、窒素ガスが反応して窒化物を形成することは殆どなく、90%以上を酸化物として存在させることができ、酸化物を主体とした。また窒素ガスの導入により、成膜時のガス圧力を高めて皮膜に混入するドロップレット量を低減した。酸素と窒素の好ましい流量比率として、酸素:窒素は、1:100から20:100の範囲とした。成膜温度は400〜700℃の範囲とした。またバイアス電源は基体に接続され、独立して基体に負のDCバイアス電圧を印加した。工具基体に印加する負バイアス電圧は40〜250Vの範囲、アーク電流は80〜180Aの範囲とした。また、工具基体の回転数はアーク電流にもよるが、毎分2〜9回転の範囲として、TA値、TB値を夫々50nm以下に制御した。本願発明の皮膜の硬度、表面粗さ、結晶構造、積層構造を評価する基体として、表面粗さをRa<10nm、Ry<100nmとなるように鏡面加工を施したCo含有量10重量%の超微粒子超硬合金製SNMN120408形状の試験片を用いた。皮膜の耐久性を評価には、Co:8重量%の超微粒子超硬合金製刃先交換型ボールエンドミルを用いた。切削工具は夫々脱脂洗浄を十分に実施して真空容器に設置した。成膜前処理は、Arイオンによる基体のクリーニング処理を行った。基体を所定温度で保持し、容器内圧力が5×10−3Paに達した後、Arガスを導入し、−200Vのバイアス電圧を印加して基体クリーニングを30分間実施した。中間層の被覆には、クリーニング後、窒素を1000sccm導入し、圧力5〜7PaとしてC2に150Aの電力を供給して、窒化物皮膜を略3μm被覆した。引き続き、窒素ガス流量を保持したまま、C1に150Aの電力を供給し、C1の窒化物層とC2の窒化物層の混合層を0.1μm被覆した。最表層の被覆も略同様な条件とした。中間層の次に、流量制御した反応ガスを導入した状態でバイアス電圧を−100Vとして本願発明の皮膜を略2μm被覆した。容器内の温度を200℃以下まで冷却した後、試料を取り出した。成膜パラメータは、皮膜形成時の酸素、Ar、窒素の各流量、成膜温度、基体回転数、アーク蒸発源への電力供給及びそのパターンである。成膜パラメータを表1に示す。
本願発明の皮膜の耐久性評価は、刃先交換式ボールエンドミルによる耐摩耗性を下記の試験条件で実施した。使用した工具は、日立ツール製の超硬合金製インサート、直径32mmである。耐摩耗性の評価は、2300m加工後の逃げ面摩耗幅で評価した。逃げ面摩耗幅が0.15mm未満のものは効果有りと判断した。評価結果を表2に併記した。
(試験条件)
切削方法:10度傾斜面の等高線切削
被削材 :FCD540
切り込み:軸方向、0.3mm、径方向、0.3mm
主軸回転数:毎分12000回転
テーブル送り:10800mm/min
1刃送り量:0.45mm/刃
切削油 :なし、エアブロー
TA、TB値が30nm以下の本発明例6、7と、30nmを超え50nm以下の参考例1から5、8を比較した。本発明例6、7は逃げ面摩耗幅が0.1mm以下、摩耗状態も均一であり、突発的なチッピングや異常摩耗の発生が抑制され耐酸化性、耐摩耗性に優れた。TA、TB値を30nm以下とすることにより、皮膜の結晶性が向上し、A層、B層はエピタキシャルに成長しながら、界面が増加する。その結果、高硬度化した。TA/TB値が1の参考例1〜3、5と、1より大きい参考例4及び8並びに本発明例6及び7とを比較した。参考例4及び8並びに本発明例6及び7は逃げ面摩耗幅が0.11mm以下、摩耗状態も均一で突発的なチッピングや異常摩耗の発生が抑制され、耐酸化性、耐摩耗性に優れた。TA/TB値が大きいときTB層の結晶性が向上し、耐酸化性、耐熱安定性が向上した。A層、B層の格子が連続成長した参考例4及び8並びに本発明例6及び7と、連続成長の無い参考例1〜3、5を比較した。連続成長が存在することにより、刃先の摩耗状態の均一性が向上し、突発的なチッピングや異常摩耗の発生が抑制され、耐酸化性、耐摩耗性に優れた。連続成長の条件は、TB値を20nm以下とすることにより達成できた。
本発明例6と同一成膜条件を用い、本発明例42〜50、比較例51、52を作成した。ここではA層が、Crの1部をSi、W、硼素から選択される1種以上で置換し、B層が、Al、Crの1部をNb、Si、W、Y、硼素から選択される1種以上で置換する効果を確認した。本発明例42〜50のTA、TB値は本発明例6と略同一とした。本発明例42〜50、比較例51、52は全てC2の組成を有する窒化物を中間層として2μm、また最表層も窒化物を0.05〜0.2μmの範囲で被覆した。中間層の被覆条件は実施例1と同一とした。表4に使用したターゲット組成を示す。
本願発明の皮膜をソリッドドリルに適用し工具寿命を評価した。ソリッドドリルは日立ツール製、直径6mm、基体はCo:10%の超微粒超硬合金製、硬度がHRA92.3である。被覆方法は実施例1と同一とした。中間層の(TiAl)Nを略3μm被覆した後、本発明例6、従来例38、39の皮膜を略2μm被覆し、これらを夫々本発明例53、従来例54、55とした。また、従来例40、41被覆したものを従来例56、57とした。これらを下記の試験条件で工具寿命を評価した。評価は、コーナー部の逃げ面摩耗幅が0.2mmに達した時点の加工穴数又は加工を継続することが出来ない欠損、チッピング等が生じた加工穴数とした。加工穴数は100穴未満を切捨て、3本の平均寿命とした。評価結果を表5に示す。
(試験条件)
切削方法:止まり穴加工、穴深さ6mm
クーラント:MQL内部給油
被削材:FCD700
主軸回転数:毎分12k回転
送り:0.2mm/回転
Claims (4)
- 工具基体に物理蒸着により皮膜を被覆し、該皮膜はA層とB層とを有し、該A層は周期律表4a、5a、6a族元素、Si、Y、硼素の酸化物から選択される1種以上、該B層は周期律表4a、5a、6a族元素、Al、Si、Y、硼素の酸化物から選択される2種以上を有し、該A層と該B層とを被覆した被覆工具において、該A層はCrの酸化物を主体とし、該B層はAl及びCrの酸化物を主体とし、該皮膜は該A層と該B層との交互積層構造を有し、該A層の層厚(nm)をTA、該B層の層厚(nm)をTBとしたとき、該TA値、該TB値が夫々TA≦30、TB≦30、膜厚比をTA/TBとしたとき、1≦TA/TB≦5、であることを特徴とする被覆工具。
- 請求項1記載の被覆工具において、該A層は、Crの1部をSi、W、硼素から選択される1種以上で置換、該B層は、Al、Crの1部をNb、Si、W、Y、硼素から選択される1種以上で置換したことを特徴とする被覆工具。
- 請求項1又は2記載の被覆工具において、該工具基体と該皮膜との間には窒化物を含有する中間層、最表面は窒化物を含有する最表層を被覆したことを特徴とする被覆工具。
- 請求項1又は2記載の被覆工具において、該B層は該工具基体側、該A層は表面側に被覆したことを特徴とする被覆工具。
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