JP5217305B2 - 被覆切削工具およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、基材の表面に被膜を被覆した被覆切削工具に関する。その中でも、特にダクタイル鋳鉄や炭素鋼などの切削加工に好適な被覆切削工具に関する。
硬質材料からなる基材の表面に、ＣＨ3ＣＮを含んだ原料ガスを用いた中温、例えば７００〜９００℃の温度範囲での化学蒸着法により柱状晶ＴｉＣＮ膜を被覆し、その上面に酸化アルミニウム膜を被覆した被覆切削工具は、切削加工に広く用いられている。
被覆切削工具の従来技術としては、第１層に窒化チタン、第２層に炭窒化チタン、第３層に炭酸化チタン、第４層に酸化アルミニウムを被覆した表面被覆炭化タングステン基超硬合金製切削工具がある（例えば、特許文献１参照。）。しかし、この表面被覆炭化タングステン基超硬合金製切削工具は、ＣＨ3ＣＮを含む原料ガスを用いる中温化学蒸着法により炭窒化チタン膜が被覆されているため、炭窒化チタン膜に含まれる炭素と窒素の合計に対する炭素の原子比：Ｃ／（Ｃ＋Ｎ）値が０．５〜０．６である炭窒化チタン膜しか得られない。そのため、炭窒化チタン膜の硬さが低く耐摩耗性が十分ではないという問題があった。
また、被覆切削工具の従来技術として、ＣＨ3ＣＮとＣＨ4とを含む原料ガスを用いてＴｉＣＮ膜を被覆した被覆切削工具がある（例えば、特許文献２参照。）。しかし、反応温度が９００℃以下では、ＣＨ4はほとんど化学反応に関与せずＣＨ3ＣＮのみが反応する。このため、ＴｉＣＮ膜のＣ／（Ｃ＋Ｎ）値が０．６を超えることはなく、ＴｉＣＮ膜の硬さが低いので、耐摩耗性が十分ではなかった。また、反応温度が９００℃を超えるとＴｉＣＮ膜が粗粒となるため靱性が低下し、耐欠損性が低下するという問題があった。
近年、機械加工の現場では加工後の品質、特に加工寸法精度の向上に対する要求が高まってきている。さらに被削材の高硬度化や難削材化が年々進んでおり、従来の切削工具では逃げ面部の摩耗やチッピングによる工具刃先位置の後退が生じやすく、短い加工時間で被削材の加工寸法が規定の範囲を超えてしまう傾向にあった。加工現場では被削材の加工寸法の逸脱を是正するため工具刃先位置の補正を頻繁に行っていたが、工具刃先位置の補正は加工効率を落とすため、従来よりも工具刃先位置の後退が生じにくい切削工具が加工現場から求められていた。そこで、本発明は摩耗やチッピングによる工具刃先位置の後退が生じにくい耐摩耗性、耐チッピング性および耐欠損性に優れた被覆切削工具およびその製造方法の提供を目的とする。
本発明者らは、被覆切削工具の刃先の摩耗やチッピングによる工具刃先位置の後退を低減すべく研究開発を行った結果、ＣＨ3ＣＮなどの有機シアン化合物と、Ｃ2Ｈ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ6、Ｃ3Ｈ8などＣＨ4を除く炭素数２〜２０の鎖状炭化水素と四塩化チタンと水素とを含む原料ガスを使用して７００〜９００℃の中温化学蒸着法によって柱状晶ＴｉＣＮ膜を被覆すると、従来のＣＨ4以外の鎖状炭化水素を使用することなく成膜したＴｉＣＮ膜と比較して、強度を低下させることなく硬さを高くすることができた。本発明により得られた被覆切削工具は、耐摩耗性、耐チッピング性および耐欠損性に優れる。そのため、摩耗やチッピングによる工具刃先位置の後退が抑制され、加工寸法の変化と、それに伴う工具刃先位置の補正作業の回数を低減することが可能となった。
本発明の被覆切削工具は、基材とその表面に被覆された被膜とから構成され、被膜の少なくとも１層は柱状晶ＴｉＣＮ膜である。すなわち、本発明は、柱状晶ＴｉＣＮ膜を、基材直上にまたは基材直上に設けた最内膜を介して形成する。この柱状晶ＴｉＣＮ膜は、基材の表面に対して平行な方向で測定したときの柱状晶ＴｉＣＮ膜の平均粒径は０．０５〜０．５μｍであり、ＣｕＫα線を用いたときの柱状晶ＴｉＣＮ膜の（４２２）面のＸ線回折ピーク位置２θは１２１．５°〜１２２．６°の範囲内にある。
本発明の被覆切削工具の具体的な形状としては、切削チップ、エンドミル、ドリル、リーマーなどを挙げることができる。また、本発明の被覆切削工具に用いられる基材は、従来から被覆切削工具の基材として用いられている材料であり、具体的には超硬合金、サーメット、セラミックス、立方晶窒化硼素焼結体などを挙げることができる。その中でも超硬合金は、耐摩耗性と耐欠損性のバランスに優れ、本発明の被覆切削工具の基材として、さらに好ましい。
本発明の被膜は、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌの炭化物、窒化物、酸化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種からなる。具体的には、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＯ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＡｌＣＯ、ＴｉＡｌＣＮＯ、Ａｌ2Ｏ3などを挙げることができる。被膜の平均厚さは、７μｍ未満になると耐摩耗性が低下し、２５μｍを超えると耐欠損性が低下するため、７〜２５μｍが好ましい。
本発明の柱状晶ＴｉＣＮ膜に含まれる炭素と窒素の合計に対する炭素の原子比：Ｃ／（Ｃ＋Ｎ）値は従来のＴｉＣＮ膜のＣ／（Ｃ＋Ｎ）値よりも高く、本発明の柱状晶ＴｉＣＮ膜の格子定数は、従来のＴｉＣＮ膜の格子定数よりも大きい。そのため、本発明の柱状晶ＴｉＣＮ膜のＸ線回折ピーク位置２θは、従来のＴｉＣＮ膜のＸ線回折ピーク位置２θよりも低角度側にシフトする。ＣｕＫα線を用いてＸ線回折したとき、本発明の柱状晶ＴｉＣＮ膜の（４２２）面のＸ線回折ピーク位置２θは、１２１．５°〜１２２．６°の範囲内にある。これは、（４２２）面のＸ線回折ピーク位置２θが１２１．５°未満ではＴｉＣＮ膜の硬さが高くなりすぎて強度が低下するためであり、１２２．６°を超えるとＴｉＣＮ膜の硬さが低くなりすぎて耐摩耗性が低下するためである。基材の表面に対して平行な方向の柱状晶ＴｉＣＮ膜の平均粒径は、０．０５μｍ未満では極めて微細なため柱状晶ＴｉＣＮが折損しやすく、０．５μｍを超えると耐欠損性が低下することから、０．０５〜０．５μｍと定めた。なお、基材の表面に対して平行な方向の柱状晶ＴｉＣＮ膜の平均粒径は、被膜の断面を走査型電子顕微鏡または透過型電子顕微鏡で観察して測定することができる。超硬合金基材の表面に被膜を被覆した場合には、真空中または水素雰囲気中で温度１１００〜１２００℃にて１〜９０分間保持するという加熱処理を行って被膜の柱状晶ＴｉＣＮ膜の結晶粒界に超硬合金基材の金属結合相を拡散させたのち、鏡面研磨した被膜断面を走査型電子顕微鏡で観察すると、柱状晶ＴｉＣＮ膜の粒径を容易に測定することができる。
本発明の柱状晶ＴｉＣＮ膜の（４２２）面のＸ線回折ピークの半価幅は、０．４０〜０．６０°の範囲にあると、耐欠損性が高くなるので、さらに好ましい。柱状晶ＴｉＣＮ膜の（４２２）面のＸ線回折ピークの半価幅が０．４０°以上になると、柱状晶ＴｉＣＮ膜の平均粒径が微細になるので耐欠損性が向上し、柱状晶ＴｉＣＮ膜の（４２２）面のＸ線回折ピークの半価幅が０．６０°を超えると、柱状晶ＴｉＣＮ膜の平均粒径が極めて微細になるのでＴｉＣＮ柱状晶が折損しやすくなることから、柱状晶ＴｉＣＮ膜の（４２２）面のＸ線回折ピークの半価幅は、０．４０〜０．６０°の範囲が好ましい。なお、柱状晶ＴｉＣＮ膜の（４２２）面のＸ線回折ピークの半価幅は以下の測定条件によって測定することができる。
特性Ｘ線：ＣｕＫα線、モノクロメーター：Ｎｉ、発散スリット：１／２°散乱スリット：２／３°、受光スリット：０．１５ｍｍ、サンプリング幅：０．０１°
特性Ｘ線：ＣｕＫα線、モノクロメーター：Ｎｉ、発散スリット：１／２°散乱スリット：２／３°、受光スリット：０．１５ｍｍ、サンプリング幅：０．０１°
また、本発明の柱状晶ＴｉＣＮ膜は、Ｘ線回折における最強ピーク強度を示す結晶面が（４２２）面であると、柱状晶ＴｉＣＮ膜の靱性が高くなり耐チッピング性が向上するため、好ましい。本発明の柱状晶ＴｉＣＮ膜のＣ／（Ｃ＋Ｎ）値は、０．７０以上になると耐摩耗性が向上し、０．９０を超えると耐欠損性が低下する傾向を示すことから、０．７０〜０．９０が好ましい。
本発明の柱状晶ＴｉＣＮ膜は、被覆温度７００〜９００℃で、ＣＨ4を除く鎖状炭化水素、すなわち炭素数２〜２０の鎖状炭化水素と有機シアン化合物と四塩化チタンと水素とを含む原料ガスを使用して被覆することができる。具体的には、被覆温度：７００〜９００℃、圧力：５〜１０ｋＰａ、原料ガスとして、ＣＨ4を除く炭素数２〜２０の鎖状炭化水素：１．０〜４．０ｍｏｌ％、ＣＨ3ＣＮ：０．１〜０．５ｍｏｌ％、ＴｉＣｌ4：１．０〜４．０ｍｏｌ％、Ｈ2：残部という条件を挙げることができる。有機シアン化合物は柱状晶ＴｉＣＮ膜の炭素源および窒素源となり、炭素数２〜２０の鎖状炭化水素は柱状晶ＴｉＣＮ膜の炭素源となる。炭素数２〜２０の鎖状炭化水素として具体的にはＣ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ8などの鎖状構造を持つ飽和炭化水素と、Ｃ2Ｈ4、Ｃ3Ｈ6などの鎖状構造を持つ不飽和炭化水素とを挙げることができる。なお、炭素数１のＣＨ4を除くのは、ＣＨ4の分解温度が高く被覆温度７００〜９００℃の中温化学蒸着法では炭素源になりにくいためである。また、炭素数の上限を２０としたのは、炭素数が２〜２０の範囲にあると、鎖状炭化水素の沸点はそれほど高くないので、通常の化学蒸着装置において鎖状炭化水素を気体の状態で他の原料ガスとともに反応容器内へ定量的に導入することが可能になるからである。その中でも、より好ましくは炭素数が２〜６の鎖状炭化水素であり、特に好ましくは炭素数が２〜３の鎖状炭化水素である。有機シアン化合物として具体的にはＣＨ3ＣＮ（アセトニトリル）、ＣＨ3ＣＨ2ＣＮ（プロパニトリル）、Ｃ6Ｈ5ＣＮ（ベンゾニトリル）などを挙げることができる。
本発明の柱状晶ＴｉＣＮ膜を被覆温度７００〜９００℃の中温化学蒸着法で製造することが好ましい。この理由は、被覆温度が７００℃未満ではＴｉＣＮを生成する化学反応が起こりにくく被覆時間が長時間になり生産性が低下するためであり、被覆温度が９００℃を超えると基材に対して平行な方向の柱状晶ＴｉＣＮ膜の平均粒径が粗大化し、耐欠損性が低下するためである。
本発明の被覆切削工具は、基材を被覆温度まで昇温する工程と、炭素数２〜２０の鎖状炭化水素と有機シアン化合物と四塩化チタンと水素とを含む原料ガスを使用する被覆温度７００〜９００℃の中温化学蒸着法により柱状晶ＴｉＣＮ膜を基材に被覆する工程と、被膜を被覆した基材を冷却する工程とを含む被覆切削工具の製造方法により製造することができる。
本発明の柱状晶ＴｉＣＮ膜の平均厚さは５μｍ未満では逃げ面における耐摩耗性が低下し、２０μｍを超えると刃先が欠損しやすくなるため５〜２０μｍが好ましい。その中でも７〜１５μｍがさらに好ましい。
酸化アルミニウムは耐酸化性に優れているため、外膜の少なくとも１層を酸化アルミニウム膜とし、内膜の少なくとも１層、すなわち基材直上にまたは基材直上に設けた最内膜としてのＴｉＮ膜を介して、本発明の柱状晶ＴｉＣＮ膜とすることが好ましい。本発明の酸化アルミニウム膜の平均厚さは、１．５μｍ未満になるとすくい面における耐クレーター摩耗性が十分でなく、１０μｍを超えると刃先が欠損しやすくなるため、１．５〜１０μｍが好ましい。その中でも３〜８μｍがさらに好ましい。酸化アルミニウム膜の結晶構造は、α型が他の結晶構造よりも高温で安定であるため、α型が好ましい。α型酸化アルミニウム膜は、特に炭素鋼や合金鋼の高速切削など刃先が高温になる場合に欠損やチッピングを起こしにくい。
本発明の被覆切削工具は優れた耐摩耗性、耐チッピング性および耐欠損性を示す。本発明の被覆切削工具を使用すると、摩耗やチッピングによる刃先位置の後退が抑制され、被削材の加工寸法の変化が生じにくく、工具刃先位置の補正回数を低減できるという効果が得られる。
基材として、ＪＩＳ規格ＣＮＭＧ１２０４１２形状の９１．５ＷＣ−０．５ＴｉＣ−１．８ＴａＣ−０．２ＮｂＣ−６．０Ｃｏ（以上重量％）組成の超硬合金製切削チップを用意した。この基材の切れ刃稜線部にＳｉＣブラシにより丸ホーニングを施した後、基材の表面を洗浄した。次に基材を外熱式化学蒸着装置に装入し、原料ガスに９９．５体積％以上の高純度ガスを使用して表１、２に示す被覆条件で、表３に示す膜構成と平均厚さになるように基材表面に被膜を被覆した。ここで、表１は内膜、表２は中間膜を含む外膜の被覆条件であり、発明品１〜６は、原料ガスとして炭素数２または３の鎖状炭化水素を用いている。
得られた発明品１〜６および比較品１〜６について、ＣｕＫα線を用いたＸ線回折を行い、柱状晶ＴｉＣＮ膜の（４２２）面のＸ線回折ピーク位置２θ、半価幅および柱状晶ＴｉＣＮ膜のＸ線回折の最強ピーク強度を示す結晶面を測定した。次に、基材の表面に対して垂直な方向における被膜の断面を鏡面研磨し、柱状晶ＴｉＣＮ膜中のＣ量とＮ量をＥＰＭＡにより定量し、ＴｉＣＮ膜のＣ／（Ｃ＋Ｎ）値を算出した。また得られた試料を真空中にて１２００℃で１０分間保持して加熱処理し、被膜の柱状晶ＴｉＣＮ膜の結晶粒界に超硬合金基材の金属結合相を拡散させたのち、被膜の垂直断面の鏡面研磨面を走査型電子顕微鏡で観察し写真を撮影した。撮影した柱状晶ＴｉＣＮ膜の写真の中央部分で超硬合金基材の界面と平行な方向に線を引き、任意の長さの線上を横切る柱状晶ＴｉＣＮ膜の粒界数を測定して、柱状晶ＴｉＣＮ膜の平均粒径を算出した。それらの結果は表４に示した。
発明品１〜６および比較品１〜６の切削チップについて、被削材として、外径１８０ｍｍ、内径６０ｍｍ、厚さ２０ｍｍのドーナツ盤型のＦＣＤ７００（硬さ：ＨＢ２４０）を用いて以下の条件で切削試験を行った。
［切削試験］
切削速度：Ｖｃ＝２５０ｍ／ｍｉｎ
切り込み：ａｐ＝２ｍｍ
送り：ｆ＝０．３５ｍｍ／ｒｅｖ
クーラント：水溶性切削液使用
加工形態：ドーナツ盤型被削材１枚につき、その両端面を１パスづつ連続切削加工する。
切削性能：ドーナツ盤型被削材について、加工開始から４〜６枚目の厚さの平均値よりも０．０５ｍｍ厚くなるまで加工したときの加工枚数を切削チップの切削性能とする。
切削速度：Ｖｃ＝２５０ｍ／ｍｉｎ
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加工形態：ドーナツ盤型被削材１枚につき、その両端面を１パスづつ連続切削加工する。
切削性能：ドーナツ盤型被削材について、加工開始から４〜６枚目の厚さの平均値よりも０．０５ｍｍ厚くなるまで加工したときの加工枚数を切削チップの切削性能とする。
表５に、発明品１〜６および比較品１〜６の加工枚数と切削試験後の切削チップの損傷状態を示した。
表５に示されるように、発明品１〜６は、耐摩耗性、耐チッピング性および耐欠損性に優れるため工具刃先位置の後退が少なく、比較品１〜６に比べて加工枚数が多い。
Claims (8)
- 基材と、その表面に被覆された被膜とから構成された被覆切削工具において、被膜の少なくとも１層は柱状晶ＴｉＣＮ膜であり、基材の表面に対して平行な方向で測定したときの柱状晶ＴｉＣＮ膜の平均粒径は０．０５〜０．５μｍであり、ＣｕＫα線を用いたときの柱状晶ＴｉＣＮ膜の（４２２）面のＸ線回折ピーク位置２θは１２１．５°〜１２２．６°の範囲内にあり、柱状晶ＴｉＣＮ膜に含まれる炭素と窒素の合計に対する炭素の原子比：Ｃ／（Ｃ＋Ｎ）値は、０．７０〜０．９０である被覆切削工具。
- 柱状晶ＴｉＣＮ膜の（４２２）面のＸ線回折ピークの半価幅が０．４０〜０．６０°である請求項１に記載の被覆切削工具。
- 柱状晶ＴｉＣＮ膜のＸ線回折における最強ピーク強度を示す結晶面が（４２２）面である請求項１または２に記載の被覆切削工具。
- 柱状晶ＴｉＣＮ膜は炭素数２〜２０の鎖状炭化水素と有機シアン化合物と四塩化チタンと水素とを含む原料ガスを使用する７００〜９００℃の温度範囲で化学蒸着することにより被覆された請求項１〜３のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
- 被膜の平均厚さは７〜２５μｍである請求項１〜４のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
- 被膜は内膜と外膜とからなり、内膜の少なくとも１層は平均厚さ５〜２０μｍの柱状晶ＴｉＣＮ膜であり、外膜の少なくとも１層は平均厚さ１．５〜１０μｍの酸化アルミニウム膜である請求項１〜５のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
- 酸化アルミニウム膜はα型酸化アルミニウム膜である請求項６に記載の被覆切削工具。
- 基材は、超硬合金基材である請求項１〜７のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
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