JP5153969B2

JP5153969B2 - 切削工具

Info

Publication number: JP5153969B2
Application number: JP2012540619A
Authority: JP
Inventors: 和範石川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2011-04-22
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2032-03-27
Also published as: DE112012001830B4; DE112012001830T5; CN103476527A; WO2012144299A1; CN103476527B; JPWO2012144299A1

Description

本発明は基体の表面に被覆層を成膜してなる切削工具に関する。

切削工具は耐摩耗性や耐溶着性、耐欠損性が必要とされる。そのため、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た切削工具が広く使われている。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、ＴｉＣＮ皮膜層とＴｉＡｌＣＮ皮膜層とが交互に隣接して４層以上形成された硬質皮膜構造が開示されている。また、特許文献２では、ＴｉＮｂＳｉＮからなるＡ層とＴｉＡｌＮからなるＢ層とがそれぞれ交互に積層された被覆層において、Ａ層とＢ層の周期を被覆層の厚み方向で変化させた皮膜構造が開示されている。さらに、特許文献３では、２種類のＴｉＭＣＮ薄層が交互に一定の周期で積層された被覆層において、下層における積層周期と上層における積層周期を変えた構成が開示されている。また、特許文献４では、ＴｉＮとＡｌＮとの繰り返し積層構造において、すくい面での積層周期と逃げ面での積層周期を全体的に変えた構成が記載されている。

特開平０６−１３６５１４号公報特開２０１０−０７６０８４号公報特開２０１０−０９９７６９号公報特開平０７−００３４３２号公報

しかしながら、特許文献１〜４のいずれの構成においても、すくい面と逃げ面とで求められている性能に対して最適化されてはおらず、それぞれの性能を最適化する必要があった。

そこで、本発明は、すくい面および逃げ面における切削性能を最適化できる被覆層を備えた切削工具を提供することを目的とする。

本発明の切削工具は、基体の表面に、ＴｉＮからなるＡ層と、Ｔｉ_１−ａＭ_ａ（Ｃ_１−ｘＮ_ｘ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族金属、Ａｌ、ＳｉおよびＹから選ばれる少なくとも１種、０．１≦ａ≦０．９、０≦ｘ≦１）からなるＢ層とを交互に繰り返し積層した被覆層を具備し、すくい面における前記被覆層中の前記Ａ層と前記Ｂ層との厚みの比（ｔ_ｒＡ／ｔ_ｒＢ）が、逃げ面における前記被覆層中の前記Ａ層と前記Ｂ層との厚みの比（ｔ_ｆＡ／ｔ_ｆＢ）よりも大きい構成からなる。

本発明によれば、被覆層をＡ層（ＴｉＮ）とＢ層（Ｔｉ_１−ａＭ_ａ（Ｃ_１−ｘＮ_ｘ））との交互積層構造とし、すくい面における被覆層中のＡ層とＢ層との厚みの比（ｔ_ｒＡ／ｔ_ｒＢ）を逃げ面における被覆層中のＡ層とＢ層との厚みの比（ｔ_ｆＡ／ｔ_ｆＢ）よりも大きくした。すなわち、Ａ層（ＴｉＮ）は一般的にＢ層（Ｔｉ_１−ａＭ_ａ（Ｃ_１−ｘＮ_ｘ））よりも硬度が低く耐摩耗性は劣ると認識されている。しかしながら、Ａ層とＢ層との交互積層の構成とした場合には、Ａ層の厚み比率がＢ層の厚み比率よりも大きくなるほうがクレータ摩耗の抑制に対しては有効であることを見出した。これによって、すくい面におけるクレータ摩耗の進行を抑制する性能と、逃げ面におけるこすれ摩耗に対する耐摩耗性との両方の性能が最適化される結果、切削工具全体としての寿命を長くできる。

本発明の切削工具の一例についての概略斜視図である。図１の切削工具の（ａ）すくい面、（ｂ）逃げ面における被覆層の拡大断面図である。

本発明の切削工具の一例について、図１の概略斜視図、および図２の（ａ）すくい面、（ｂ）逃げ面における被覆層の拡大断面図を用いて説明する。

本発明の切削工具１は、基体２の表面に、ＴｉＮからなるＡ層７と、Ｔｉ_１−ａＭ_ａ（Ｃ_１−ｘＮ_ｘ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族金属、Ａｌ、ＳｉおよびＹから選ばれる少なくとも１種、０．１≦ａ≦０．９、０≦ｘ≦１、以下、ＴｉＭ（ＣＮ）と記載することがある。）からなるＢ層８とを周期的に交互に繰り返し積層した被覆層６を具備してなるとともに、すくい面３と逃げ面４とを有する。

そして、すくい面３における被覆層６中のＡ層７とＢ層８との厚みの比（ｔ_ｒＡ／ｔ_ｒＢ）が、逃げ面４における被覆層６中のＡ層７とＢ層８との厚みの比（ｔ_ｆＡ／ｔ_ｆＢ）よりも大きい構成からなる。比（ｔ_ｒＡ／ｔ_ｒＢ）の望ましい範囲は１．５〜１．９であり、比（ｔ_ｆＡ／ｔ_ｆＢ）の望ましい範囲は１．０〜１．４である。また、比（ｔ_ｒＡ／ｔ_ｒＢ）と比（ｔ_ｆＡ／ｔ_ｆＢ）との比（ｔ_ｒＡ／ｔ_ｒＢ）／（ｔ_ｆＡ／ｔ_ｆＢ）は１．２〜１．９である。さらに、ｔ_ｒＡの望ましい範囲は４１〜６０ｎｍ、ｔ_ｒＢの望ましい範囲は２５〜４０ｎｍ、ｔ_ｆＡの望ましい範囲は３５〜４２ｎｍ、ｔ_ｒＢの望ましい範囲は２０〜３５ｎｍである。

このＡ層７（ＴｉＮ）とＢ層８（ＴｉＭ（Ｃ）Ｎ）とを交互に繰り返し積層した構造からなる被覆層６は、Ａ層７の単層、またはＢ層８の単層のどちらよりも高い硬度となり、しかも、高温での耐酸化性も向上する。また、すくい面３においてはＡ層７の厚み比率が高くてクレータ摩耗の進行を抑制する効果が高く、逃げ面４においてはこすれ摩耗に対する耐摩耗性に優れたＢ層８の厚み比率が高くて、逃げ面４の耐摩耗性が高い。その結果、切削工具１の各部位における摩耗を最適化することができて、切削工具の寿命を高めることができる。

なお、被覆層６中のＡ層７とＢ層８との厚みの比の算出方法は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）にて、Ａ層７およびＢ層８の連続する２０層以上（１０層以上ずつ）の領域について被覆層６を観察する。そして、Ａ層７およびＢ層８の各１０層以上について各層の厚みを測定する。それから、Ａ層７の厚みおよびＢ層８の厚みをそれぞれ合計し、その比を計算することによって求められる。被覆層６中のＡ層７とＢ層８の厚みは、各層において基本的には同じ厚みであるが、後述する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）法にて成膜する際に、基体２の回転状態によってターゲットとの距離およびターゲットへの向きが変わることに伴って各層において若干厚みが変わることがある。ただし、厚みの変化は基体２の回転状態における各基体の位置の周期的な変化に伴って周期的に変化する。

また、切刃５における被覆層６中のＡ層７とＢ層８との厚みの比（ｔ_ｃＡ／ｔ_ｃＢ）が、逃げ面４における被覆層６中のＡ層７とＢ層８との厚みの比（ｔ_ｆＡ／ｔ_ｆＢ）よりも大きいことが望ましい。これによって、Ａ層７は内部応力が低く、被覆層６全体の応力緩和ができるために、切刃５に厚い膜が成膜されても、エッジ効果によって切刃５上に成膜された被覆層６が自己破壊により剥離することなく、工具寿命を大きく向上できる。比（ｔ_ｃＡ／ｔ_ｃＢ）の望ましい範囲は１．５〜１．９５である。また、ｔ_ｃＡの望ましい範囲は４１〜６０ｎｍ、ｔ_ｃＢの望ましい範囲は３２〜４０ｎｍである。

また、すくい面３における被覆層６の総膜厚Ｔ_ｒが逃げ面４における被覆層６の総膜厚Ｔ_ｆよりも厚いことが望ましい。これによって、すくい面３と逃げ面４との摩耗量のバランスを最適化できるために望ましい。すくい面３における被覆層６の総膜厚Ｔ_ｒと逃げ面４における被覆層６の総膜厚Ｔ_ｆとの比率Ｔ_ｒ／Ｔ_ｆの望ましい範囲は１．１〜１．５である。Ｔ_ｒとＴ_ｆとの望ましい厚みは切削条件によって異なるが、Ｔ_ｒの望ましい範囲は、５．８〜１０μｍであり、Ｔ_ｆの望ましい範囲は、３．０〜６．５μｍである。

ここで、Ｔｉ_１−ａＭ_ａ（Ｃ_１−ｘＮ_ｘ）組成において、ａが０．１より小さいと硬度特性と耐酸化性が得られなくなり、逆にａが０．９より大きいと硬度低下が著しくなる。また、金属Ｍとしては、Ｔｉを除く周期表第４、５、６族金属、Ａｌ、ＳｉおよびＹから選ばれる少なくとも１種からなるが、中でも、Ａｌ、Ｎｂ、Ｓｉ、ＣｒおよびＷの１種以上を含有することが、被覆層６の耐酸化性を高める上で望ましい。

さらに、切削速度が１５０ｍ／分以上の高速切削や高硬度材等の難削材の切削においては、すくい面におけるクレータ摩耗が進行しやすいが、Ｂ層８を示す組成式Ｔｉ_１−ａＭ_ａ（Ｃ_１−ｘＮ_ｘ）において、０．７５≦ａ≦０．８５を満足するとともに、前記組成式のＭがＡｌを８０％以上含有する場合には、すくい面におけるクレータ摩耗を抑制する効果が高い。その結果、切削工具１の全体としての耐摩耗性を高めることができる。

なお、被覆層６中の各元素の含有比率は、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線分光（ＥＤＳ）分析装置を用いて測定することができ、被覆層６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線分光（ＥＤＳ）分析法における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ＴｉのＬα線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の含有量を求め、その量から他の金属元素の含有比率をそれぞれ算出する。また、本発明によれば、金属元素の測定に際してはそれぞれ被覆層の任意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。

さらに、被覆層６の非金属成分であるＣ、Ｎは切削工具１に必要な硬度および靭性に優れたものであり、被覆層６の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（Ｎ含有比率）の特に望ましい範囲は０．５≦ｘ≦１である。なお、被覆層の組成はエネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＳ）分析法またはＸ線光電子分光分析法（ＸＰＳ）にて測定できる。

また、基体としては、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、セラミックス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、工具形状の基体を従来公知の方法を用いて作製する。次に、基体の表面に、被覆層を成膜する。被覆層の成膜方法として、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）および金属Ｍ（ただし、ＭはＴｉ周期表第４、５、６族元素、Ａｌ、Ｓｉおよび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る。

このとき、本発明によれば、Ａ層を構成するＡターゲットとＢ層を構成するＢターゲットとをチャンバの側壁面の望ましくは対向する位置に配置するとともに、別途Ｔｉ金属または化合物を含有するターゲットを準備し、ＴｉターゲットはチャンバのＡターゲット寄りの上壁面位置にセットする。そして、後述の成膜条件にて成膜することによって、成膜された被覆層の組成および厚みの比率を本発明の構成とすることができる。なお、Ｔｉ金属または化合物を含有するターゲットの作製方法としては、金属粉末を混合して焼き固めた焼結ターゲットよりも、金属成分を溶融させて再度固化させた合金ターゲットを用いるほうが指向性のある成膜が可能となる点で望ましい。

成膜条件としては、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）ガスと反応させる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を成膜する。このとき、基体のセット位置は逃げ面がチャンバの側面とほぼ平行に、かつすくい面がチャンバの上面とほぼ平行な向きにセットする。

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を成膜する際には、被覆層の結晶構造を考慮してアーク電流を引加することによって特定の高硬度な被覆層を作製できるとともに、基体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％と、炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）粉末を０．５質量％の割合で、全体が１００質量％となるように添加、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切削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逃げ面が側面を向くようにセットし基体を５００℃に加熱して、表１に示すアーク電流にて表１に示す被覆層を成膜した。なお、メインターゲットは各金属粉末を混合して焼き固めた焼結法による焼結ターゲットを用い、チャンバの側壁面に２個セットした。また、サブターゲットは表１に記載の各金属を一旦溶融させて再度固化させた合金ターゲットまたは焼結ターゲットを用い、チャンバの表１に示すセット位置の壁面に１個セットした。また、成膜条件は窒素ガスを総圧力４Ｐａの雰囲気中、バイアス電圧１００Ｖ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）および透過型電子顕微鏡を用いて組織観察を行い、被覆層を構成する結晶の性状や膜厚（Ｔ_ｒ、Ｔ_ｃ、Ｔ_ｆ、ｔ_ｒA、ｔ_ｆA、ｔ_ｒB、ｔ_ｆB）を確認した。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（ＥＤＳ）分析法の一種であるＺＡＦ法により被覆層の組成の定量分析を行い、すくい面と逃げ面それぞれについて被覆層の組成を算出した。結果は表２、３に示した。なお、膜厚の測定において、Ａ層とＢ層との厚みが周期的に変化するものについては、１周期分を含む領域でＡ層とＢ層との厚みがそれぞれ観察できる倍率で視野を決定した。そして、この領域内の複数層のＡ層とＢ層の厚みをそれぞれ測定した。さらに、観察視野を任意３視野の観察ポイントについて測定して、これを平均してそれぞれのｔ_ｒA、ｔ_ｆA、ｔ_ｒB、ｔ_ｆBを算出した。また、すくい面および逃げ面の総厚みＴ_ｒ、Ｔ_ｆは切刃からの距離が１ｍｍの位置で測定し、切刃の膜厚Ｔ_ｃはコーナー部で最も被覆層の厚みが厚い部分の厚みとした。

さらに、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：肩削り（ミリング加工）
被削材：ＳＫＤ１１
切削速度：１５０ｍ／分
送り：０．１２ｍｍ／刃
切り込み：横切り込み１０ｍｍ、深さ切り込み３ｍｍ
切削状態：乾式
評価方法：切削不能となるまでの衝撃回数。および衝撃回数１００回ごとに切刃の状態を観察し、切削不能となる直前における切刃の状態を確認した。

表１〜３より、比（ｔ_ｒＡ／ｔ_ｒＢ）が、比（ｔ_ｆＡ／ｔ_ｆＢ）よりも低いか同じであった試料Ｎｏ．７〜８、およびＡ層がＴｉＮでない試料Ｎｏ．９では、いずれもチッピングや摩耗の進行が早く工具寿命が短かった。

これに対し、比（ｔ_ｒＡ／ｔ_ｒＢ）が、比（ｔ_ｆＡ／ｔ_ｆＢ）よりも大きい試料Ｎｏ．１〜６および試料Ｎｏ．１０〜１５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。

１切削工具
２基体
３すくい面
４逃げ面
５切刃
６被覆層
７Ａ層
８Ｂ層

Claims

基体の表面に、ＴｉＮからなるＡ層と、Ｔｉ_１−ａＭ_ａ（Ｃ_１−ｘＮ_ｘ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族金属、Ａｌ、ＳｉおよびＹから選ばれる少なくとも１種、０．１≦ａ≦０．９、０≦ｘ≦１）からなるＢ層とを交互に繰り返し積層した被覆層を具備し、すくい面における前記被覆層中の前記Ａ層と前記Ｂ層との厚みの比（ｔ_ｒＡ／ｔ_ｒＢ）が、逃げ面における前記被覆層中の前記Ａ層と前記Ｂ層との厚みの比（ｔ_ｆＡ／ｔ_ｆＢ）よりも大きい切削工具。
切刃における前記被覆層中の前記Ａ層と前記Ｂ層との厚みの比（ｔ_ｃＡ／ｔ_ｃＢ）が、前記逃げ面における前記被覆層中の前記Ａ層と前記Ｂ層との厚みの比（ｔ_ｆＡ／ｔ_ｆＢ）よりも大きい請求項１記載の切削工具。
前記すくい面における前記被覆層の総厚みＴ_ｒが前記逃げ面における前記被覆層の総厚みＴ_ｆよりも厚い請求項１または２記載の切削工具。
前記Ｂ層を示す組成式Ｔｉ_１−ａＭ_ａ（Ｃ_１−ｘＮ_ｘ）において、０．７５≦ａ≦０．８５を満足するとともに、前記組成式のＭがＡｌを８０％以上含有する請求項１乃至３のいずれか記載の切削工具。