JP5004690B2

JP5004690B2 - 切削工具の製造方法

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Publication number: JP5004690B2
Application number: JP2007169705A
Authority: JP
Inventors: 謙二野田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2007-06-27
Filing date: 2007-06-27
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2027-06-27
Also published as: JP2009006440A

Description

本発明は、基体の表面に被覆層が形成されている切削工具の製造方法に関する。

現在、超硬合金やサーメット等の焼結合金、ダイヤモンドや立方晶窒化硼素質焼結体（ｃＢＮ焼結体）等の高硬度焼結体からなる基体の表面に被覆層を成膜した切削工具が用いられている。中でも、超硬合金やサーメットでは加工が難しい高速加工や難削材、特に焼入れ鋼の加工には、ダイヤモンドに次ぐ硬度を持ち、かつ鉄との反応も生じにくいｃＢＮ焼結体が用いられている。

例えば、特許文献１では、ｃＢＮ基体の表面にＴｉＣやＴｉＮ、Ａｌ_２Ｏ_３等の被覆層を被覆した切削工具が開示され、一般の鋼や鋳鉄の切削において耐摩耗性の改善が見られたことが記載されている。また、特許文献２では、ｃＢＮ基体の表面にＴｉＡｌＮ被膜を成膜した切削工具が開示され、焼入鋼等の高硬度難削材の切削において長寿命となることが記載されている。さらに、特許文献３では、ｃＢＮ基体の表面にＴｉＮとＡｌＮとのナノ多層の第１被膜とＡｌ_２Ｏ_３の第２被膜を成膜した切削工具が開示され、高速重切削において優れた耐チッピング性を発揮することが記載されている。
特開昭５９−８６７９号公報特開平８−１１９７７４号公報特開平８−３２３５０６号公報

しかしながら、ｃＢＮ基体の表面に被着形成する被覆層として、特許文献１のＴｉＣやＴｉＮ、Ａｌ_２Ｏ_３被覆層、特許文献２のＴｉＡｌＮ被覆層、特許文献３のナノ多層ＴｉＡｌＮ被覆層とＡｌ_２Ｏ_３被覆層との多層構造のいずれにおいても、切削性能は不十分でありさらなる長寿命化が求められていた。

特に、被覆層を形成したｃＢＮ基切削工具を焼入鋼の加工に用いた場合には、下記理由により工具寿命を延ばすことができないという問題があった。すなわち、焼入鋼の切削においては被削材は強度が高く、また表面は高硬度であるために切削抵抗が大きくて切刃付近が高温になる。特に、切削された切屑の通り道である切刃のすくい面側表面では非常に高温になるため被覆層の酸化が急激に進行し、酸化された被覆層は脆化層となり、摩耗しやすいので工具の切刃にはクレータ摩耗が進行する傾向がある。そのため、例えば連続加工と断続加工が交互に繰り返される軽断続加工においては、連続切削時にクレータ摩耗が進行し、断続部に差し掛かったときに進行したクレータ摩耗部から欠損やチッピングが発生してしまう危険性が高く、工具性能は不十分であった。一方、逃げ面においては高硬度な被削材中に含まれる硬質粒子がこすれることによって酸化摩耗よりも機械的な摩耗が進行しやすく、被覆層を高硬度化することが求められていた。

そこで、本発明の切削工具は、ｃＢＮ焼結体を基体として、さらに長寿命な切削工具を提供することを目的とする。

本発明の切削工具の製造方法は、立方晶窒化硼素質焼結体からなる基体の表面に、（Ｔｉ_{１−ａ−ｂ}、Ｍ_Ｉａ、Ｍ_ＩＩｂ）Ｃ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ_ｘＯ_ｙ（ただし、Ｍ_ＩはＡｌおよびＳｉの１種以上、Ｍ_ＩＩはＴｉ以外の周期表第４、５および６族金属から選ばれる１種以上、０．４５≦ａ≦０．７、０≦ｂ≦０．４、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）で表される複合Ｔｉ系被覆層を被覆した後、該複合Ｔｉ系被覆層のすくい面および切刃における表面を、レーザーまたは電子ビームの照射によって酸化するものである。

本発明の切削工具の製造方法によれば、複合Ｔｉ系被覆層を被覆した後、すくい面および切刃における前記被覆層の表面をレーザーまたは電子ビームの照射で酸化する方法によって、被覆層の最表面においてすくい面および切刃のみを局所的にＡｌ_２Ｏ_３およびＳｉＯ_２の含有量が多い構成に制御することができる。

本発明の切削工具の一例について、図１の（ａ）概略斜視図および（ｂ）（ａ）のＡ−Ａ断面図を基に説明する。

図１（ａ）（ｂ）のように、本発明の切削工具（以下、単に工具と略す。）１は、すくい面２と逃げ面３との交差稜線が切刃４である形状をなし、かつ図１（ｂ）に示すように、立方晶窒化硼素質焼結体（以下、ｃＢＮ焼結体と略す。）からなる基体６の表面に被覆層７を成膜した構成となっている。また、図１（ａ）によれば、基体６はチップ本体１０の先端に裏打ち板１１を介してロウ付けされた構造からなる。

ここで、被覆層７は、（Ｔｉ_{１−ａ−ｂ}、Ｍ_Ｉａ、Ｍ_ＩＩｂ）Ｃ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ_ｘＯ_ｙ（ただし、Ｍ_ＩはＡｌおよびＳｉの１種以上、Ｍ_ＩＩはＴｉ以外の周期表第４、５および６族金属から選ばれる１種以上、０．４５≦ａ≦０．７、０≦ｂ≦０．４、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）で表される複合Ｔｉ系被覆層８を含んでいる。そして、本発明によれば、逃げ面３の最表面は複合Ｔｉ系被覆層８であるとともに、すくい面２および切刃４の最表面には逃げ面３の最表面よりもＡｌ_２Ｏ_３およびＳｉＯ_２の少なくとも一方が多く存在する酸化領域９を具備することが大きな特徴である。

これによって、すくい面２および切刃４の最表面における耐酸化性を改善して酸化摩耗によるクレータ摩耗の進行を抑制し、かつ逃げ面３における機械的摩耗を抑制してフランク摩耗の進行を抑制することができる。なお、本発明における切刃４はシャープエッジでもよいが、チャンファ面またはＲホーニング面をなしていてもよい。

ここで、ａ（Ａｌ、Ｓｉの組成比）が０．４５よりも少ないと複合Ｔｉ系被覆層８の耐酸化性が低下してしまい、ａ（Ａｌ、Ｓｉの組成比）が０．７よりも多いと複合Ｔｉ系被覆層８の結晶構造が立方晶から六方晶に変化する傾向があり硬度が低下する。ａの特に望ましい範囲は０．４８≦ａ≦０．５２である。また、ｂ（Ｍ_ＩＩ組成比）が０．０１よりも少ないと酸化開始温度が低くなってしまい、ｂ（Ｍ_ＩＩ組成比）が０．４よりも多いと金属Ｍの一部が立方晶とは別の低硬度相として存在して複合Ｔｉ系被覆層８の硬度が低下する。ｂの特に望ましい範囲は０．０１≦ｄ≦０．０８である。なお、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があるから望ましい。

なお、複合Ｔｉ系被覆層８の非金属成分のうち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、複合Ｔｉ系被覆層８の表面に発生するドロップレット（粗大粒子）を抑制するために、ｘ（Ｎ組成比）の特に望ましい範囲は０．５≦ｘ≦１である。ここで、本発明によれば、上記複合Ｔｉ系被覆層８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。

また、すくい面２および切刃４の最表面から基体６側に向かってＡｌ_２Ｏ_３およびＳｉＯ_２の少なくとも一方が連続的に減少していることが、被覆層７の剥離やそれに伴うチッピングが発生しにくい点で望ましい。なお、すくい面２および切刃４の最表面以外に複合Ｔｉ系被覆層８が含まれており、硬度も高くて十分な耐摩耗性を維持することができる。

さらに、被覆層７は、複合Ｔｉ系被覆層８と、ＡｌＮ、周期表第４、５および６族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物のうち１つから選ばれる他の被覆層１２との２層以上の多層構成とすることもできる。なお、被覆層７の膜厚（複合Ｔｉ系被覆層８と他の被覆層１２との総膜厚）が０．５〜８．０μｍであることが、複合Ｔｉ系被覆層８の膜剥離やチッピングを防止し、十分な耐摩耗性を維持することができるため望ましい。なお、焼入鋼加工用の切削工具として用いる場合には、被覆層７の厚みが０．５μｍ〜５μｍであり、鋳鉄加工用の切削工具として用いる場合には、被覆層７の厚みが１μｍ〜３μｍであることが望ましい。

一方、基体６をなすｃＢＮ（立方晶窒化硼素）焼結体は、硬質相をなすｃＢＮ（立方晶窒化硼素）粒子の周囲を連続した結合相マトリックス（以下、結合相と略す。）にて結合したものであって、ｃＢＮ粒子と結合相の間にはｃＢＮ粒子と結合相を密着させる中間相が形成された構造からなる。

ここで、結合相は周期表第４、５および６族金属の群から選ばれる１種または２種以上の元素の炭化物（以下、炭化物と略す。）と、周期表第４、５および６族金属の群から選ばれる１種または２種以上の元素の窒化物（以下、窒化物と略す。）の両方が共存して存在した、すなわち結合相マトリックス中で炭化物と窒化物の各々がそれぞれ個々に独立して存在している組織をなしていることが望ましい。特に、炭化物として炭化チタン（ＴｉＣ）、窒化物として窒化チタン（ＴｉＮ）をｃＢＮ焼結体（基体６）中にそれぞれ存在させることがｃＢＮ焼結体（基体６）の靭性を高める点で望ましい。

なお、ｃＢＮ焼結体（基体６）中の炭化物と窒化物の存在は、ｃＢＮ焼結体（基体６）を鏡面研磨し、その研磨面を金属顕微鏡で倍率１００〜１０００倍にて観察することで確認できる。その際、ＴｉＮとＴｉＣが存在する場合には、最も明るく見える部分がＴｉＮであり、最も暗く見える部分がｃＢＮ粒子であり、２つの中間の明るさを持つ部分がＴｉＣである、という様に確認することができる。また、その他の方法として、成分分析のマッピングを行うことで確認することもできる。例えば、ＥＰＭＡ（電子プローブ微小分析）分析のＷＤＳ（波長分散型Ｘ線分析）でマッピングを行う際には、炭素、窒素、硼素、金属元素成分でそれぞれマッピングを行うことで確認することができる。さらに、上記面積比率の算出は、金属顕微鏡像を画像解析することで容易に算出できる。

また、ｃＢＮ粒子の粒径は、耐摩耗性、強度の点から０．２〜５．０μｍ、特に望ましくは０．５〜３．０μｍの範囲にあることが望ましい。なお、ｃＢＮの粒径の測定は、ＣＩＳ−０１９Ｄ−２００５に規定された超硬合金の平均粒径の測定方法に準じて測定する。

また、ｃＢＮ粒子の外周部に、周期表第４、５および６族金属、鉄族金属およびＡｌの群から選ばれる１種または２種以上の元素の金属間化合物、炭化物、窒化物、炭窒化物、硼化物、硼炭化物、硼窒化物、酸化物からなる中間相が存在することが、ｃＢＮ粒子を強固に保持することができるため望ましい。

（製造方法）
次に、上述した工具の製造方法について説明する。

例えば、原料粉末として０．２〜３μｍの範囲内の所定の平均粒径を有するｃＢＮ原料粉末、平均粒径０．２〜３μｍ、特に０．５〜３μｍの周期表第４、５および６族金属から選ばれる１種または２種以上の元素の炭化物粉末、平均粒径０．２〜３μｍ、特に０．５〜３μｍの周期表第４、５および６族金属から選ばれる１種または２種以上の元素の窒化物、および必要により平均粒径０．５〜５μｍのＡｌあるいは鉄族金属の内の少なくとも一種の原料粉末を特定の組成に秤量し１６〜７２時間ボールミルにて粉砕混合する。なお、炭化物原料粉末および窒化物原料粉末の平均粒径のさらに望ましい範囲は１〜３μｍである。

その後、必要があれば、所定形状に成形する。成形には、プレス成形、射出成形、鋳込み成形、押し出し成形等の周知の成形手段を用いることができる。

ついでこれを別途用意した超硬合金製裏打ち支持体と共に超高圧焼結装置に装入し、１２００〜１６００℃の範囲内の所定の温度に４〜６ＧＰａの圧力下で１０〜３０分保持することによって、本発明の立方晶窒化硼素質焼結体を得る。このとき、周期表第４、５および６族金属の炭化物と周期表第４、５および６族金属の窒化物が個々に存在した構造を有するには、昇温および降温速度を毎分３０〜５０℃とし、１２００〜１４００℃の範囲内の所定の温度に５ＧＰａの圧力下で加熱保持時間を１０〜１５分とするのが好ましい。

次に、基体６の表面に被覆層７を成膜する。複合Ｔｉ系被覆層８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として、複合Ｔｉ系被覆層８をイオンプレーティング法で作製する場合について説明すると、例えば、金属チタン（Ｔｉ）、金属アルミニウム（Ａｌ）、金属シリコン（Ｓｉ）、金属Ｍ（ＭはＷ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｙ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、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。また、成膜雰囲気として窒素（Ｎ_２）ガスとアルゴン（Ａｒ）ガスを１〜１０Ｐａの割合で導入することによって、複合Ｔｉ系被覆層８の基体６に対する密着力と硬度が向上する。このとき、窒素（Ｎ_２）ガスとアルゴン（Ａｒ）ガスの混合比は、窒素に対するアルゴンガス流量が１：９〜４：６の割合であることが、複合Ｔｉ系被覆層８の基体６に対する密着力と硬度を高めるために望ましい。

なお、イオンプレーティング法やスパッタリング法で複合Ｔｉ系被覆層８を成膜する際には、複合Ｔｉ系被覆層８の結晶構造および配向性を制御して高硬度な被覆層を作製できるとともに基体６との密着性を高めるために成膜時に３０〜２００Ｖのバイアス電圧を印加することが好ましい。

その後、本発明においては、すくい面および切刃における前記被覆層の表面にレーザーまたは電子ビームを照射して複合Ｔｉ系被覆層の一部を酸化する。具体的な条件としては、レーザーを用いた場合、例えば、半導体レーザー源を用いて、大気中にて出力１〜２０Ｗで、レーザーの焦点距離、照射時間や照射回数を微調整しながら行う。
また、前記被覆層を酸化する範囲は複合Ｔｉ系被覆層の最表面から０．０１〜３μｍの深さ領域であることが、剥離することなくクレータ摩耗を抑制する点で望ましい。

平均粒径０．８μｍのｃＢＮ原料粉末５０体積％、平均粒径１．２μｍのＴｉＮ原料粉末４０体積％、１．５μｍの金属Ａｌ原料粉末１０体積％を調合し、この粉体を、アルミナ製ボールを用いたボールミルで１５時間混合した。次に混合した粉体を圧力９８ＭＰａで加圧成形した。この成形体を、超高圧装置を用いて、５０℃／分で昇温し、圧力５．０ＧＰａで、１５００℃で１５分保持することにより焼成した後、５０℃／分で降温することにより焼成してｃＢＮ質焼結体を得た。また、作製した焼結体からワイヤ放電加工によって所定の寸法に切り出し、超硬合金基体の切刃先端部に形成した切り込み段部にろう付けした。そして、このｃＢＮ焼結体の切刃に対してダイヤモンドホイールを用いて刃先処理（チャンファホーニング）を施した。

このようにして作製した基体（ＪＩＳ・ＣＮＧＡ１２０４０８のスローアウェイチップ形状）に対してアークイオンプレーティング法により被覆層の成膜を行った。具体的な成膜方法は、上記基体をアークイオンプレーティング装置にセットし５００℃に加熱した後、窒素ガスとアルゴンガスの混合ガス（窒素ガス：アルゴンガス＝２：８）を総圧力２．５Ｐａ導入した雰囲気中、アーク電流１００Ａ、バイアス電圧５０Ｖ、加熱温度５００℃として表１に示す組成の被覆層を成膜した。なお、被覆層の組成は、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（ＡＭＥＴＥＫＥＤＡＸ−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法により特定した。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て定量化した。

そして、すくい面および切刃（チャンファ面）の表面にレーザーを照射して複合Ｔｉ系被覆層を酸化した。具体的な条件としては、半導体レーザー源を用いて、大気中、表１のレーザー出力にて、照射面の状態を観察しながら表２の酸化厚みとなるようにレーザーの走査速度および被覆層との焦点距離の変更をプログラム化して微調整を行いながらレーザーの照射を行った。

そして、被覆層の表面においてＸ線光電子分光分析（ＸＰＳ）法によりＡｌ、ＳｉおよびＯ（酸素）の分析を行い、すくい面と逃げ面におけるＡｌ_２Ｏ_３とＳｉＯ_２の生成状態を比較するとともに酸化層の深さを確認した。結果は表２に示した。また、すくい面と逃げ面における被覆層の表面においてＸ線回折分析を行ったところ試料Ｎｏ．１、２および６においてはすくい面においてＡｌ_２Ｏ_３とＳｉＯ_２のピークが観察された。

次に、得られた溝入切削工具形状のスローアウェイチップ（切削工具）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２に合わせて示した。

切削方法：軽断続端面加工
被削材：ＳＣＭ４３５（浸炭焼入鋼：ｃスケールのロックウェル硬度（ＨＲＣ）５８〜６２）、３個穴付き
切削速度：１８０ｍ／ｍｉｎ
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：肩切り込み０．２ｍｍ、深さ切り込み０．４ｍｍ
切削状態：乾式
評価方法：５０パス切削後のクレータ摩耗量およびフランク摩耗量を測定した。

表１、２に示されるように、被覆層の最表面に複合Ｔｉ系被覆層を被覆してレーザー照射を行わなかった試料Ｎｏ．１０ではすくい面における耐酸化性が悪くてクレータ摩耗が大きいものであった。また、レーザー照射する際に被覆層の最表面がＡｌ_２Ｏ_３である試料Ｎｏ．９ではすくい面の表面ではＡｌ_２Ｏ_３の存在により耐酸化性が高いものであったが、逃げ面におけるフランク摩耗が大きいものであった。さらに、レーザー照射する際に被覆層の最表面がＡｌまたはＳｉを含有しない試料Ｎｏ．７、８ではレーザー照射によってもＡｌ_２Ｏ_３またはＳｉＯ_２が析出せずすくい面における耐酸化性が低下してクレータ摩耗が大きいものであった。

これに対し、硬質層の組成が本発明の範囲内の試料Ｎｏ．１〜６では、耐酸化性が向上して優れた耐摩耗性を発揮するとともに耐欠損性も良好であり、その結果、工具寿命が長いものであった。

本発明の切削工具の一例を示し、（ａ）概略斜視図および（ｂ）（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

符号の説明

１切削工具（切削工具）
２すくい面
３逃げ面
４切刃
６基体（ｃＢＮ焼結体）
７被覆層
８複合Ｔｉ系被覆層
９酸化領域
１０チップ本体
１１裏打ち板
１２他の被覆層

Claims

立方晶窒化硼素質焼結体からなる基体の表面に、（Ｔｉ_{１−ａ−ｂ}、Ｍ_Ｉａ、Ｍ_ＩＩｂ）Ｃ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ_ｘＯ_ｙ（ただし、Ｍ_ＩはＡｌおよびＳｉの１種以上、Ｍ_ＩＩはＴｉ以外の周期表第４、５および６族金属から選ばれる１種以上、０．４５≦ａ≦０．７、０≦ｂ≦０．４、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）で表される複合Ｔｉ系被覆層を被覆した後、該複合Ｔｉ系被覆層のすくい面および切刃における表面を、レーザーまたは電子ビームの照射によって酸化することを特徴とする切削工具の製造方法。