JP5261981B2 - 被覆切削工具 - Google Patents
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Description
本発明における第1層は、耐摩耗性と基材との密着性改善に効果を発揮する。第1層は、元来耐摩耗性を有する所に、更にMA成分の添加効果が加味される。MA成分のうち、Al元素は耐熱性や耐酸化性向上に、またCr元素は格子歪、結晶化による高硬度化や耐熱性、耐酸化性、潤滑性改善において有効であり、含有することが必要な元素である。W、Nb、B元素は結晶粒径の微細化による高硬度化や耐熱性、耐酸化性の改善に有効である。Ti元素は皮膜の更なる高硬度化に有効であり、耐摩耗性が改善され好ましい。
第1層の好ましい金属成分元素の組み合わせは、SiAlCr、SiAlCrNbとする酸窒化物、窒化物から選択される1種以上の化合物層の皮膜である。第1層が、酸窒化物、窒化物の何れか又はそれらの固溶体又は混合物から構成される化合物層であることによって、被覆部材の基材と皮膜との密着性を確保し、耐摩耗性を改善するために有効である。膜厚は1〜4μmの範囲で効果が得られ、好ましい範囲である。結晶構造は、耐摩耗性の点から立方晶B1構造、若しくは立方晶B1構造と六方晶B4構造の混合組織であることが好ましい。X線回折における立方晶B1構造の面指数のうち(111)、(200)の何れかのピーク強度が最大となる場合に耐摩耗性に優れる。特に(200)のピーク強度が最大となる場合、優れた耐熱性、耐摩耗性が得られ最も好ましい。
本発明における第2層は、アルミニウム系酸窒化皮膜である。組成は(AlMB)(NO)を有し、耐熱性、耐酸化性に優れた効果を発揮する。また第2層にMB成分のCr、Si、Nb、Y、Zr、W、Bから選択される2種以上の元素であってCr及びSiを必須に添加することによって、皮膜組織が緻密化され、優れた耐熱性、耐酸化性の他に耐摩耗性、耐溶着性に効果を発揮する。MBの添加効果は、アルミニウム系酸窒化皮膜の結晶化及び/又は結晶粒径微細化による優れた耐熱性、耐酸化性の他に耐摩耗性、耐溶着性の改善効果が挙げられる。Cr、Yは特に結晶化による高硬度化が得られ、皮膜を高硬度化する。Si、Nb、Bは結晶粒径微細化により、皮膜が緻密化され、耐酸化性の向上、及び高硬度化する。またCr、Si、Nb、Y、Zrは皮膜の耐熱性改善と潤滑性改善をすることができる。第2層の結晶構造は、α型、γ型、アモルファス、の何れか、又はその混合においても、効果が確認される。特に耐摩耗性に優れる結晶構造は、γ型、アモルファスの単一若しくは複合して存在する場合であり、耐摩耗性に優れることから好ましい。第2層の好ましい金属成分元素の組み合わせは、AlCrSiとする酸窒化物皮膜であり、このとき、耐拡散摩耗性と耐摩耗性のバランスが最適であり好ましい。
第3層のMB成分の添加効果は、第2層の緻密化、平滑化、また第3層の高強度化、耐熱性、耐酸化性の改善が挙げられる。MB成分のNb、Si、Bを0.01〜0.1の範囲で添加することにより、組織が微細化され、第1層への酸素の内向拡散を抑制することができて好ましい。W、Yを0.01〜0.1の範囲で添加することにより、第3層の耐酸化性が向上し、第1層への酸素の内向拡散を抑制することができ好ましい。第1層と第3層の密着強度向上には、第3層にCrを添加することが有効であり好ましい。第3層の膜厚は、0.02〜0.5μmの範囲で被覆することにより、結合層として優れた効果を発揮することが出来好ましい範囲である。
第3層の好ましい金属成分元素の組み合わせは、AlCr、AlCrSi、AlCrY、とする窒化物、或いは酸窒化物の化合物層であり、耐拡散摩耗性と耐摩耗性のバランスが最適である。第3層は、第2層の組織を緻密化し、硬質皮膜全体の耐摩耗性に影響を及ぼす。第1層と第2層とを高強度で結合するためには、第2層から第1層への酸素の拡散を抑制することが重要である。第1層へ酸素の拡散が進行すると、酸化界面が低強度となり、第2層の耐剥離性が低下する。第2層を形成する際に、第3層が酸素雰囲気に曝されるが、第3層の極表面層に数原子層の緻密なAlの酸化物が瞬時に形成され、酸素の内向拡散を防止する。これにより、第1層と第2層との界面強度、すなわち密着強度が格段に向上する。また、第3層は極めて緻密な組織から構成されるため、酸素の内向拡散を防止する効果に加え、第2層の組織を緻密化する。このように第3層は、第1層と第2層の密着強度を向上させ、第2層の耐剥離性が大幅に向上する。
本発明に係る硬質皮膜の表面粗度が、Ra≦0.03μm、Ry≦0.5μmであることが好ましい。第2層は優れた耐拡散性を示すものの、結晶粒子が粗大であり、切削工具として使用した場合、被切削物が突起状の結晶粒子に凝着し、第2層の耐剥離性を低下させる場合がある。従って、硬質皮膜表面の面粗度を、Raで0.03μm以下、Ryで0.5μm以下とすることにより、切削時における被切削物の凝着を抑制することが出来る。更に結晶粒子の脱落を抑制し、耐剥離性が向上して第2層の特性が十分に発揮される。Ra値が0.03μmを超え、Ry値が0.5μmを超える場合、切削時、被切削物の凝着が生じ易くなり、第2層の耐剥離性が低下する傾向にある。また、突起状の結晶粒子による凹凸が存在する場合、機械的手段により表面を平滑にすることにより、上記の面粗度の範囲内にすることができる。機械的に平滑にする手段としては、ダイヤモンド粒子を含有した研磨材を吹き付ける処理が、最も効率的に表面を平滑にする手段であり、好ましい処理方法である。また、被覆後に機械的処理を行うことにより、刃先の欠損強度が向上し、工具寿命のばらつきを低減することができ好ましい。第2層から膜厚方向に100nm以内の深さ領域で酸素及び若しくは炭素濃度が最大となる場合、硬質皮膜表面への被加工物の凝着抑制に有効である。また、第2層が非晶質であるか、若しくは非晶質を含む場合、機械的な処理を施さずとも、上記の面粗度を満足することが出来る。本発明における面粗度を規定する部位は、摩耗環境下において被加工物と接触する部位が好ましい。例えば切削工具においては、刃先の逃げ面であることが好ましい。また、測定方法としては、接触式の面粗度測定器、非接触の三次元粗さ測定器、原子間力顕微鏡等により測定することができる。
また、第1層、第2層、第3層の成膜は同一ターゲットを用いることも可能である。この場合、各層のAlの含有量を制御するために、他のUBMスパッタ源として、全金属元素に対するAl含有量が80原子%以上のターゲットを用いる。これらを同時に稼動させ、ターゲットへの電力供給を変化させながら成膜を行うことも可能である。
また、必要に応じて第1層、第3層を層厚の範囲内で組成の異なる積層膜とすることも可能である。本発明例の膜厚は、第1層を約2.5μm、第3層を約0.2μm、第2層を約1μmとした。必要に応じて傾斜層4、傾斜層5を被覆した。傾斜層4、傾斜層5の膜厚は0.1〜0.2μmとした。傾斜層4を被覆する場合には、第1層の成膜途中に第3層成膜用のターゲットへの電力供給を開始し、このとき第3層成膜用のターゲットへの電力供給を段階的に増加させると同時に、第1層成膜用のターゲットへの電力供給を段階的に減少させ、Si含有量が層厚方向に連続的に減少し、同時にAl含有量が層厚方向に増加するように被覆した。Si、Alの含有量を制御するために、第1層、第3層の成膜に用いたのとは別のUBMスパッタ源を用いて傾斜層4を被覆することもできる。傾斜層5を被覆する場合には、第3層を被覆するUBMスパッタ源を稼動させ、窒素の流量を減少させながら、同時に酸素の流量を増加させ、酸素含有量が層厚方向に増加するように被覆した。各層を連続的に被覆するため、UBMスパッタ源の放電は停止せずに行った。各層の皮膜組成は所定領域を電子線マイクロアナライザー(以下、EPMAと記す。)により測定した。皮膜の積層形態と組成を表1に示す。
(切削条件)
被加工物:SUS420J2、硬さ、HRC52
主軸回転数:毎分10000回転
一刃当りの送り量:0.2mm/刃
切り込み深さ:軸方向、0.4mm、ピックフィード、0.2mm
加工方法:ドライ加工、ダウンカット加工
参考例1〜7は、第1層のSi含有量の影響について検討した。特に、Si含有量が0.01〜0.2の参考例1〜5は、比較例43〜47に対し、1.9倍以上の工具寿命が得られ、好ましい範囲であった。また、第1層の結晶構造はfccであることが好ましい結果となった。ここで、比較例43は第1層に(TiAl)N、第2層にα−アルミナを被覆した。比較例44,45は第1層にSiを含有していない。比較例46、47は第2層にAlを含有していない。
参考例8〜16は、第1層の添加元素の影響を検討した。第1層における酸素の含有量が、0.1以下の範囲において、優れた切削寿命が得られた。また、第1層内のSi以外の添加元素として、Al、Crが特に切削寿命に優れており、更にNb、W、Zr、Yを添加することにより、切削寿命の延長が確認できた。参考例16は、第1層が(TiSi)Nであり、その他の皮膜として基材と第1層間に(TiAl)Nを被覆した。評価の結果、同様に優れた切削寿命が得られたものの、第1層の表層で低強度であるTiO2が形成されており、切削距離の増加に従い、摩耗が増加する比率がTiを含有しない皮膜に比べ、高い傾向にあった。このことから、第2層の直下の皮膜にはTiの含有を回避するのが賢明である。
参考例17〜21、本発明例22、参考例23、本発明例24、参考例25〜29は、第2層の添加元素の影響を検討した。第2層のAl以外の添加元素として、Cr、Siが特に切削寿命に優れており、更にNb、W、Zr、Yを添加することにより、切削寿命の延長が確認できた。第2層における窒素の含有は、第2層の表面粗さが低下し、更に優れた切削寿命が得られた。夫々の添加元素の含有量は、0.1以下の範囲において、優れた切削寿命が得られた。
本発明例30〜38は、第3層の効果について検討した。第1層と第2層の間に第3層を設けることにより、第2層と第1層間での耐剥離性が大幅に改善できた。これは、第2層の結晶化が促進され皮膜硬度が向上したことと、第2層の組織が緻密化し皮膜表面の平滑性が向上したためである。図1に本発明例30の切削長100mにおける刃先近傍の摩耗状態の写真を示す。
本発明例30は剥離が観察されず、アルミニウム系酸窒化皮膜の優れた密着特性が十分発揮される結果となり、優れた切削寿命を示した。一方、図2に比較例43の切削長100mにおける刃先近傍の摩耗状態の写真を示す。図2の拡大写真を図3、図3の領域をエネルギー分散型X線分析法(以下、EDXと記す。)により分析した結果を図4に示す。図4はAl、Ti、O、Fe、Wの各成分の分布がSEM像に対応しており、濃度が高い程、白色に観察される。Al成分分布の図では、Alは第1層及び第2層に観察された。Ti成分の分布の図ではTiは第1層に、O成分の分布の図ではOは第2層に、Fe成分の分布の図ではFeは被加工物からの凝着物として皮膜全体に、W成分の分布の図ではWは超硬合金の基材に観察された。図4から、比較例43は窒化物、酸化物界面から酸化アルミニウム層が剥離しており、窒化物と酸化物の界面密着強度が十分ではなかったことが確認できる。図5に本発明例30の破断面SEM写真を、図6に比較例43の破断面SEM写真を示す。図5に示すように本発明例30の第2層の破断面組織は、比較例43に比べ、著しく緻密化されており、第3層を用いることにより、アルミニウム系酸窒化皮膜の緻密化が確認できた。表2に記載する面粗さ測定結果からも、本発明は平滑面であることが確認できた。このことから、切削時における凝着を大幅に低減でき、第2層の耐剥離性及び耐摩耗性が格段に向上した。第3層が、第1層よりも結晶粒径が小さく、且つ六方晶構造を有する場合、第2層が緻密化され、また密着強度が高くなり、特に優れた切削寿命が得られた。
本発明例39、40は、傾斜層の有無について検討した。第1層と第3層間に傾斜層4を、第3層と第2層間に傾斜層5を用いることにより、更に優れた切削寿命が確認できた。本発明例41は、第2層の上層側にTiN皮膜を0.1μm被覆した。絶縁性の高い酸化アルミニウムを物理蒸着法で被覆する場合、最表層にTiN皮膜を被覆することにより、成膜装置内の導電性が確保され、被覆処理バッチ間のメンテナンスが比較的容易に行うことができ、量産性を考慮した場合に有効である。この結果から、最表層は必ずしも酸化アルミニウム皮膜である必要はなく、本発明の効果が発揮されることを確認した。本発明例42は、成膜後装置から取り出し、機械的手段により硬質皮膜表面の面粗度を小さくすることにより、切削加工において被加工物の凝着が抑制され、耐摩耗性を改善することができた。この処理は工具の性能改善の他、製品に光沢が得られ概観品位が向上するためより好ましい。
以上の結果から、本発明によって、耐摩耗性に優れる第1層、耐熱性、耐酸化性に優れる第2層とが優れた密着強度を発揮することができ、また第2層が緻密化された。特に高速、ドライ加工等の刃先が高温に曝される過酷な摩耗環境下において、飛躍的に切削工具の寿命を改善することが可能となった。また、生産性向上並びにコスト低減に極めて有効であった。
Claims (3)
- 硬質皮膜を被覆した被覆切削工具において、該硬質皮膜は少なくとも2層の異なる組成を有した積層構造を有し、該硬質皮膜は表層へ向かって第1層、第2層が積層され、
該第1層は、(SixMA1−x)(N1−αOα)で示され、MA成分はAl、Ti、Cr、Nb、W、Bから選択される2種以上の元素であってAl及びCrを必須成分とし、夫々x、αは原子比で、0.01≦x≦0.3、0≦α≦0.1、である化合物層であり、
該第2層は、(AlyMB1−y)(N1−βOβ)で示され、MB成分はCr、Si、Nb、Y、Zr、W、Bから選択される2種以上の元素であってCr及びSiを必須成分とし、夫々y、βは原子比で、0.6≦y≦0.8、0.8≦β≦1、である化合物層であること、を特徴とする被覆切削工具。 - 請求項1に記載の被覆切削工具において、該第1層と該第2層との間に該第1層と隣接する第3層を有し、
該第3層は(AlyMB1−y)(N1−αOα)で示され、MB成分はCr、Si、Nb、Y、Zr、W、Bから選択される1種以上の元素であってCrを必須成分とし、夫々y、αは原子比で、0.6≦y≦0.8、0≦α≦0.1、であることを特徴とする被覆切削工具。 - 請求項2に記載の被覆切削工具において、該第1層と該第3層間に、該第1層から該第3層に向けてSi含有量が連続的に減少しAl含有量が連続的に増加する傾斜層4を有し、該第3層と該第2層間に、該第3層から該第2層に向けて酸素含有量が連続的に増加する傾斜層5を有することを特徴とする被覆切削工具。
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