JP4942495B2

JP4942495B2 - 表面被覆工具

Info

Publication number: JP4942495B2
Application number: JP2007016329A
Authority: JP
Inventors: 正人松澤; ヨウセンシュ
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2007-01-26
Filing date: 2007-01-26
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2027-01-26
Also published as: JP2008183627A

Description

本発明は基体の表面に被覆層を成膜してなる表面被覆工具に関する。

現在、切削工具や耐摩部材、摺動部材といった表面被覆工具では耐摩耗性や摺動性、耐欠損性が必要とされるため、ＷＣ基超硬合金やＴｉＣＮ基サーメット等の硬質基体の表面に様々な被覆層を成膜して表面被覆工具の耐摩耗性、摺動性、耐欠損性を向上させる手法が使われている。

かかる被覆層として、ＴｉＣＮ層やＴｉＡｌＮ層が一般的に広く採用されているが、より高い耐摩耗性と耐欠損性の向上を目的として種々な被覆層が開発されつつある。

例えば、特許文献１では、ＴｉＡｌＮ硬質膜を構成する結晶粒を横方向の結晶粒経が０．１〜０．４μｍで、結晶粒経の縦／横比の平均値が１．５〜７の柱状結晶とすることにより、耐酸化性、強度、切削特性に優れた工具となることが記載されている。また、特許文献２では、工具母材の表面に、ＴｉとＡｌの比率の異なる低硬度ＴｉＡｌＮ皮膜と高硬度ＴｉＡｌＮ皮膜の２層を順に積層した多層型硬質皮膜を被着形成した皮膜構造について開示されており、母材との密着性に優れるとともに耐摩耗性に優れる皮膜となることが記載されている。また、特許文献３では、ＴｉとＡｌの比率を厚さ方向で周期的に変化させた高耐摩耗性工具が開示され、高速の断続切削に対する耐久性が向上することが記載されている。さらに、特許文献４では、工具母材の表面にＴｉＡｌＮ層を成膜した切削工具において、Ｔｉ／Ａｌの比をエッジ部において最も高くなるように制御することによって工具寿命が長くなることが記載されている。
特許３５２６３９２号公報特開平１１−６１３８０号公報特開平７−４８６６６号公報特開平８−２６７３０６号公報

しかしながら、特許文献１のようにＴｉＡｌＮを単純に柱状結晶にすると被覆層内部に内部応力が発生してしまい、特に柱状結晶の横方向の結晶幅を短くすると被覆層の硬度は向上するものの内部応力が大きくなる傾向になって、切削性能の向上には限界があった。また、特許文献２や特許文献３のように被覆層の厚み方向にＴｉとＡｌの比率を変化させる方法では、被覆層内の結晶成長が阻害されて柱状結晶が成長しにくくなる結果、被覆層の硬度と靭性が不十分であった。また、特許文献４のように工具のエッジ部のみについてＴｉ／Ａｌの比を高くする方法では、Ｔｉ／Ａｌの比を高くすると被覆層の硬度が低下するのでエッジ部における被覆層は低硬度であり、切削によって早期に被覆層が摩耗してしまうという問題があった。また、被覆層の切刃以外の他の均一な部分においては硬度が高いものの被覆層の内部応力も高くて部分的に基体からの剥離や自己破壊による被覆層の欠損が発生してしまうおそれがあった。

そこで、本発明の表面被覆工具は上記問題を解決するためのものであり、その目的は、耐摩耗性が高く、かつ高い耐欠損性を有する表面被覆工具を提供することである。

本発明の表面被覆工具は、基体の表面に、Ｔｉ_{１−ａ−ｂ}Ａｌ_ａＭ_ｂ（Ｃ_ｘＮ_１−ｘ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、希土類元素およびＳｉから選ばれる１種以上であり、０．４≦ａ≦０．６５、０≦ｂ≦０．３、０≦ｘ≦１である。）からなる被覆層を被覆した表面被覆工具であって、前記被覆層は前記基体の表面に対して垂直に伸びる柱状結晶を主体とした組織からなるとともに、前記柱状結晶は、前記被覆層全体のＴｉ含有比率をＴｉ_ｔとしたとき、比Ｔｉ_ｒ／Ｔｉ_ｔが１．２〜５となるＴｉ含有比率がＴｉ_ｒの富Ｔｉ柱状結晶が分散していることを特徴とする。

ここで、上記構成において、前記被覆層中の柱状結晶の平均結晶幅に対して前記富Ｔｉ柱状結晶の結晶幅が３倍以上であることが望ましい。

また、上記構成において、前記柱状結晶の平均結晶幅が０．０２〜０．１μｍであり、前記富Ｔｉ柱状結晶の平均結晶幅が０．１〜１μｍであることが望ましい。

さらに、上記構成において、前記富Ｔｉ柱状結晶が平均０．５〜１０μｍの間隔で存在することが望ましい。

また、上記構成において、前記富Ｔｉ柱状結晶の直下に、前記柱状結晶の平均結晶幅よりも大きい粒径の粒状結晶が存在していることが望ましい。

本発明の表面被覆工具は、被覆層がＴｉとＡｌを特定の比率で含む組成からなるとともに、基体の表面に対して垂直に伸びる柱状結晶を主体としてこれが基体の表面から並列に並んだ組織からなり、かつ前記柱状結晶中にＴｉ含有比率がＴｉ_ｒの富Ｔｉ柱状結晶が分散していることが大きな特徴である。これによって、被覆層の硬度、靭性および耐酸化性が向上して高い耐摩耗性を有するとともに、被覆層内に発生する内部応力を低減して工具の耐欠損性を改善することができる。

ここで、上記構成において、前記被覆層中の柱状結晶の平均結晶幅に対して前記富Ｔｉ柱状結晶の結晶幅が３倍以上であることが、被覆層中の内部応力を低減する効果が高い点で望ましい。また、この構成において、前記柱状結晶の平均結晶幅が０．０２〜０．１μｍであり、前記富Ｔｉ柱状結晶の平均結晶幅が０．１〜１μｍであることが、被覆層中の高硬度を維持しつつ内部応力を効果的に低減することができる点で望ましい。

また、上記構成において、前記富Ｔｉ柱状結晶が平均０．５〜１０μｍの間隔で存在することが、被覆層が局所的に摩耗することなく高い耐摩耗性を維持したまま被覆層中の内部応力を効果的に低減することができる点で望ましい。

さらに、上記構成において、前記富Ｔｉ柱状結晶の直下に、前記柱状結晶の平均結晶幅よりも大きい粒径の粒状結晶が存在していることが、富Ｔｉ柱状結晶の生成を促すことができるとともに、富Ｔｉ柱状結晶が被覆層中で脱落することなく強固に密着できる点で望ましい。

本発明の表面被覆工具の好適例である表面被覆切削工具の一例について図１の概略斜視図並びに図２の被覆層断面についての模式図を基に説明する。

図１に示す表面被覆切削工具（以下、単に工具と略す）１は、すくい面１０と逃げ面１１との交差稜線が切刃１２である形状をなし、かつ基体２の表面に被覆層３を成膜した構成となっている。

被覆層３は、Ｔｉ_{１−ａ−ｂ}Ａｌ_ａＭ_ｂ（Ｃ_ｘＮ_１−ｘ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、希土類元素およびＳｉから選ばれる１種以上であり、０．４≦ａ≦０．６５、０≦ｂ≦０．３、０≦ｘ≦１である。）からなる。そして、本発明の表面被覆工具は、図２に示すように、被覆層３は基体２の表面に対して垂直に伸びる柱状結晶５を主体とした組織からなるとともに、柱状結晶５は、被覆層３全体のＴｉ含有比率をＴｉ_ｔとしたとき、比Ｔｉ_ｒ／Ｔｉ_ｔが１．２〜５となるＴｉ含有比率がＴｉ_ｒの富Ｔｉ柱状結晶５ａが分散していることが大きな特徴である。

これによって、被覆層３の硬度、靭性および耐酸化性が向上して高い耐摩耗性を有するとともに、被覆層３内に発生する内部応力を低減して工具１の耐欠損性を改善することができる。ここで、富Ｔｉ柱状結晶５ａの比Ｔｉ_ｒ／Ｔｉ_ｔが１．２未満では被覆層３中の内部応力の低減効果が小さく、比Ｔｉ_ｒ／Ｔｉ_ｔが５より大きいと被覆層３の耐摩耗性が低下する。被覆層３の内部応力を低減しつつ被覆層３の高硬度を維持するためには、比Ｔｉ_ｒ／Ｔｉ_ｔが１．８〜２．２であることが望ましい。

なお、柱状結晶中の各元素の含有比率は、透過型電子顕微鏡測定装置に備え付けられたエネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＳ）分析装置を用いて測定することができ、柱状結晶中のＴｉ含有比率は各元素のピーク強度の総和とＴｉ元素のピーク強度との比率で算出される。ここで、エネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＳ）分析におけるＴｉのＬα線のピーク（エネルギー０．４ｋｅＶ付近）についてはＮ元素のＫα線のピークと重なって正確な測定ができないために、Ｎ元素が含有される可能性がある場合にはこのピークは算出に用いるピークから外してＴｉのＫα線のピーク（エネルギー４．５ｋｅＶ付近）を用いてＴｉ_ｔ、Ｔｉ_ｒとも算出し、その比Ｔｉ_ｒ／Ｔｉ_ｔを求める。また、本発明によれば、Ｔｉ_ｔの測定に際しては被覆層３の任意５箇所以上の測定値に基づいてその平均値として求めるものとする。

しかも、上記構成によって、被覆層３の内部に発生する残留応力を低減できて被覆層３の厚みを厚くしても自己破壊することなく安定した成膜が可能であるとともに、被覆層３の靭性が高くて耐欠損性が向上する。そのため、上記被覆層３は厚膜化しても被覆層３がチッピングしにくく、被覆層３の膜厚が０．５〜６μｍであっても、被覆層３が剥離やチッピングすることを防止できて十分な耐摩耗性を維持することができる。

なお、被覆層３の組成については、上記組成の中でも、Ｔｉ_{１−ａ−ｂ−ｃ−ｄ}Ａｌ_ａＭ_ｂＷ_ｃＳｉ_ｄ（Ｃ_ｘＮ_１−ｘ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、希土類元素およびＳｉから選ばれる１種以上であり、０．４≦ａ≦０．６５、０≦ｂ≦０．３、０≦ｘ≦１である。）からなることが望ましく、この組成領域では、酸化開始温度が高くなって耐酸化性が高くて切削時の耐摩耗性が向上するとともに切刃先端に発生しやすいチッピングが抑制できて耐欠損性が高いものとなる。また、金属ＭはＮｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｙから選ばれる１種以上であるが、中でもＮｂまたはＭｏを含有することが耐摩耗性・耐酸化性に最も優れる点で望ましい。

さらに、被覆層３の非金属成分であるＣ、Ｎは切削工具に必要な硬度および靭性に優れたものであり、被覆層３表面に発生するドロップレットの過剰な発生を抑制するために、ｘ（Ｃ含有比率）の特に望ましい範囲は０≦ｘ≦０．５である。なお、被覆層３の組成はエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＸ）またはＸ線光電子分光分析法（ＸＰＳ）にて測定できる。

ここで、被覆層３中の柱状結晶５の平均結晶幅に対して富Ｔｉ柱状結晶５ａの結晶幅が３倍以上であることが、被覆層３中の内部応力を効果的に低減することができる点で望ましい。特に、被覆層３中の内部応力を低減しつつ被覆層３の硬度を維持するためには、被覆層３中の柱状結晶５の平均結晶幅に対して富Ｔｉ柱状結晶５ａの結晶幅が５〜３０倍の範囲であることが望ましい。また、この構成において、柱状結晶５の平均結晶幅が０．０２〜０．１μｍであり、富Ｔｉ柱状結晶５ａの平均結晶幅が０．１〜１μｍであることが、被覆層３中の内部応力をさらに効果的に低減することができるとともに、被覆層３の硬度および耐酸化性を維持できる点で望ましい。なお、被覆層３中の柱状結晶５の結晶幅は、図２に示すように、柱状結晶５をなす被覆層３の中間の厚さにあたる部分に引いた線Ａにて測定する。被覆層３中の柱状結晶５の平均結晶幅ｗ_ｔは線Ａの１００ｎｍ以上の長さＬを特定し、この長さＬの線Ａを横切る粒界の数を数えて、長さＬ／粒界の数によって算出することができる。富Ｔｉ柱状結晶５ａの結晶幅については、同様の位置にて各富Ｔｉ柱状結晶５ａの結晶幅ｗ_ｒをそれぞれ測定する。また、本発明における柱状結晶とは基体表面と平行な方向の結晶幅に対して基体表面と垂直な方向の結晶長さが１．５倍以上長い結晶のことを指す。

また、上記構成において、富Ｔｉ柱状結晶５ａが平均０．５〜１０μｍの間隔で存在することが、被覆層３の高硬度を維持したまま被覆層３中の内部応力を効果的に低減することができる点で望ましい。

さらに、上記構成において、富Ｔｉ柱状結晶５ａの直下に、柱状結晶５の平均結晶幅よりも大きい粒径の粒状結晶７が存在していることが、富Ｔｉ柱状結晶５ａの生成を促すことができるとともに、富Ｔｉ柱状結晶５ａが被覆層３中で脱落することなく強固に密着できる点で望ましい。

さらに、粒状結晶７は、Ａｌを主成分とするか、ＴｉまたはＭ（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、希土類元素およびＳｉから選ばれる１種以上である。）を主成分とする粒状結晶からなり、平均粒径が０．０５〜１μｍであることが、被覆層３の硬度と靭性を両立できる点で望ましい。特に、粒状結晶７は、少なくともＡｌの含有比率が前記被覆層の全体における含有比率より多いＡｌ系粒状結晶と、ＴｉまたはＭの含有比率が被覆層３の全体における含有比率より多いＴｉ／Ｍ系粒状結晶とを含むことが望ましい。これによって、異なった硬度および靭性を有する粒状結晶７が存在し、これらの粒状結晶７の分散状態を制御することによって、被覆層３の耐摩耗性および耐欠損性のバランスを調整ことができる。なお、Ｍ（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、希土類元素およびＳｉから選ばれる１種以上である。）元素としては、特にＷ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｓｉが上方に富Ｔｉ柱状結晶５ａが形成しやすい大きさの粒状結晶７を形成する点で望ましい。

なお、断面組織観察における粒状結晶７の存在比率は０．１〜３０面積％であることが、被覆層３の耐欠損性を高めることができるとともに、被覆層３の耐摩耗性を維持できる点で望ましい。

また、基体２としては、炭化タングステンや、炭窒化チタンを主成分とする硬質相とコバルト、ニッケル等の鉄族金属を主成分とする結合相とからなる超硬合金やサーメットの他、窒化ケイ素や、酸化アルミニウムを主成分とするセラミック、多結晶ダイヤモンドや立方晶窒化ホウ素からなる硬質相と、セラミックや鉄族金属等の結合相とを超高圧下で焼成する超高圧焼結体等の硬質材料が好適に使用される。

（製造方法）
次に、本発明の表面被覆工具の一例である表面被覆切削工具の製造方法について説明する。

まず、工具形状の基体２を従来公知の方法を用いて作製する。次に、基体２の表面に、被覆層３を成膜する。被覆層３の成膜方法として、イオンプレーティング法やスパッタリング法等の物理蒸着（ＰＶＤ）法が好適に適応可能である。成膜方法の一例についての詳細について説明すると、被覆層３をイオンプレーティング法で作製する場合には、金属チタン（Ｔｉ）、金属アルミニウム（Ａｌ）、金属Ｍ（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、希土類元素およびＳｉから選ばれる１種以上）をそれぞれ独立に含有する金属ターゲットまたは複合化した合金ターゲットに用いる。

このとき、本発明によれば、金属または合金ターゲット中のＴｉ金属とともにＴｉの炭化物、窒化物、酸化物、硼化物、炭窒化物等の化合物を分散させたターゲットを用いることによって、成膜された被覆層３中に富Ｔｉ柱状結晶５ａを生成させることができる。また、ターゲット中に０．０５〜０．３質量％の酸素を含有するように調整することによって、被覆層３内にドロップレット（粒状結晶７）が付着した場合でも、その粒状結晶７の表面が酸化されることから粒状結晶７の上部に微細な柱状結晶５が成長しやすい。また、理由は不明であるが、上記本発明の粒状結晶７の上部には富Ｔｉ柱状結晶５ａが成長しやすい傾向にある。

そして、このターゲットを用いて、アーク放電やグロー放電などにより金属源を蒸発させイオン化すると同時に、窒素源の窒素（Ｎ_２）ガスや炭素源のメタン（ＣＨ_４）／アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）ガスと反応させて成膜する。このとき、窒素に対するアルゴンガス流量が１：９〜４：６の割合の窒素（Ｎ_２）ガスとアルゴン（Ａｒ）ガスの混合ガスを用いて、イオンプレーティング法またはスパッタリング法によって被覆層３を成膜する。このとき、ターゲット中の各金属元素が蒸発して基体２の表面に付着するが、Ｔｉ化合物は不均一な蒸発状態となるので、結果的に成膜された被覆層３中に富Ｔｉ柱状結晶５ａが生成しやすくなる。また、蒸気圧の低いＡｌやＭ元素は大きな球状の塊として蒸発してそのまま基体２の表面に、いわゆるドロップレット（粒状結晶７）として付着する。このとき、Ｍ元素はＴｉとのなじみが良いのでＭ元素を多く含む粒状結晶中にはＴｉも多く固溶してＭ元素またはＴｉのいずれも多く含まれ、いずれかが主成分となる。そして、粒状結晶７の上部にも富Ｔｉ粒状結晶が成長しやすくなる。その結果、成膜された被覆層３中に富Ｔｉ柱状結晶５ａが分散した組織となる。

なお、イオンプレーティング法やスパッタリング法で上記被覆層３を成膜する際には、被覆層３の結晶構造および配向性を制御して高硬度な被覆層３を作製できるとともに基体２との密着性を高めるために３０〜２００Ｖのバイアス電圧を印加することが好ましい。

平均粒径０．５μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末に対して、金属コバルト（Ｃｏ）粉末を１０質量％、炭化バナジウム（ＶＣ）粉末と炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）粉末を合計で１質量％の割合で添加、混合し、刃先交換式切削工具（ＣＮＭＧ０４０８）インサート形状に成型して焼成した。そして、研削工程を経た後、アルカリ、酸、蒸留水の順によって表面を洗浄してインサート基体を作製した。

そして、表１に示すターゲットを装着したアークイオンプレーティング装置内に上記基体をセットし基体を５５０℃に加熱して表１に示す被覆層を成膜した。なお、成膜条件は窒素ガスとアルゴンガスの混合ガスを総圧力４Ｐａの雰囲気中、アーク電流１５０Ａ、バイアス電圧５０Ｖとした。

得られたインサートについて、キーエンス社製走査型電子顕微鏡（VE8800）を用いて倍率５００倍にて観察を行い、同装置に付随のＥＤＡＸアナライザ（AMETEK EDAX-VE9800）を用いて加速電圧１５ｋＶにてエネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＥＤＸ）法の一種であるＺＡＦ法により被覆層の組成の定量分析を行った。また、この方法で測定できなかった元素については、ＰＨＩ社製Ｘ線光電子分光分析装置（Quantum2000）を用い、Ｘ線源はモノクロＡｌＫ（２００μｍ、３５Ｗ、１５ｋＶ）を測定領域約２００μｍに照射して測定を行った。結果は表１に示した。

さらに、上記被覆層を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）にて観察して分散粒子の有無を確認し、さらに分散粒子についてはエネルギー分散分光分析法（ＥＤＳ）によって中心部と外周部の組成を定量した。また、１μｍ×５μｍの任意領域３箇所について分散粒子の存在割合を算出した。結果は表２に記載した。

次に、得られたインサートを用いて以下の切削条件にて切削試験を行った。結果は表３に記載した。

切削方法：旋削
被削材：ＳＣＭ４５０（４本溝）
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１．５ｍｍ
切削状態：乾式
評価方法：欠損するまでの衝撃回数及び摩耗・欠損状態の確認

表１〜３より、分散化合物を含有しないターゲットを用いて成膜し富Ｔｉ柱状結晶が分散しない試料Ｎｏ．９では、切刃にチッピングが発生して早期に欠損に至った。また、粒状結晶からなる試料Ｎｏ．１０では耐摩耗性が悪く工具寿命の短いものであった。さらに、比Ｔｉ_ｒ／Ｔｉ_ｔが１．２より小さく富Ｔｉ柱状結晶がない試料Ｎｏ．１１でも、切刃にチッピングが発生して早期に欠損に至った。

これに対し、前記基体の表面に対して垂直に伸びる柱状結晶を主体としてこれが並んだ組織からなるとともに、前記柱状結晶は、前記被覆層全体のＴｉ含有比率をＴｉ_ｔとしたとき、比Ｔｉ_ｒ／Ｔｉ_ｔが１．２〜５となるＴｉ含有比率がＴｉ_ｒの富Ｔｉ柱状結晶が分散している試料Ｎｏ．１〜８では、耐欠損性と耐摩耗性が良くて切削性能に優れたものであった。

本発明の表面被覆工具の一例を示す概略斜視図である。本発明の表面被覆工具の一例を示し、被覆層についての要部断面模式図である。

符号の説明

１工具
２基体
３被覆層
５柱状結晶
５ａ富Ｔｉ柱状結晶
７粒状結晶
１０すくい面
１１逃げ面
１２切刃

Claims

基体の表面に、Ｔｉ_{１−ａ−ｂ}Ａｌ_ａＭ_ｂ（Ｃ_ｘＮ_１−ｘ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、希土類元素およびＳｉから選ばれる１種以上であり、０．４≦ａ≦０．６５、０≦ｂ≦０．３、０≦ｘ≦１である。）からなる被覆層を被覆した表面被覆工具であって、前記被覆層は前記基体の表面に対して垂直に伸びる柱状結晶を主体としてこれが並んだ組織からなるとともに、前記柱状結晶は、前記被覆層全体のＴｉ含有比率をＴｉ_ｔとしたとき、比Ｔｉ_ｒ／Ｔｉ_ｔが１．２〜５となるＴｉ含有比率がＴｉ_ｒの富Ｔｉ柱状結晶が分散していることを特徴とする表面被覆工具。
前記被覆層中の柱状結晶の平均結晶幅に対して前記富Ｔｉ柱状結晶の結晶幅が３倍以上であることを特徴とする請求項１記載の表面被覆工具。
前記柱状結晶の平均結晶幅が０．０２〜０．１μｍであり、前記富Ｔｉ柱状結晶の平均結晶幅が０．１〜１μｍであることを特徴とする請求項２記載の表面被覆工具。
前記富Ｔｉ柱状結晶が平均０．５〜１０μｍの間隔で存在することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の表面被覆工具。
前記富Ｔｉ柱状結晶の直下に、前記柱状結晶の平均結晶幅よりも大きい粒径の粒状結晶が存在していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の表面被覆工具。