JP5558558B2 - 切削工具 - Google Patents

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、（ＴｉＷＳｉ）Ｎ被覆層が開示され、基体との密着性が向上することが記載されている。また、特許文献２では、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｗ，Ｓｉ，Ｍ（ＭはＮｂ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｈｆ，Ｙから選ばれる少なくとも１種））Ｎ被覆層が開示され、耐酸化性および耐欠損性に優れることが記載されている。

特開２００６−１１１９１５号公報 特開２００９−０５０９９７号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２のように、基体の表面にＴｉ、Ａｌ、Ｗを含有する被覆層を形成しても耐摩耗性および耐欠損性は必ずしも十分とは言えず、更なる耐摩耗性と耐欠損性の向上が望まれていた。また、すくい面と逃げ面では求められている性能が若干異なっており、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、すくい面と逃げ面とを有する切削工具基体の表面にＴｉ_{１−ａ−ｂ−ｃ} Ａｌ_ａＷ_ｂＭ_ｃ（Ｃ_１−ｘＮ_ｘ）（ただし、ＭはＴｉおよびＷを除く周期表第４、５、６族金属、ＳｉおよびＹから選ばれる少なくとも１種、０．３≦ａ≦０．６、０．０１≦ｂ≦０．２、０≦ｃ≦０．２、０≦ｘ≦１）で表される被覆層が設けられており、前記すくい面におけるＷの含有比率に対して前記逃げ面におけるＷの含有比率が高いとともに、前記被覆層の表面にドロップレットが存在するとともに、前記逃げ面における前記ドロップレット中のＷ含有比率が前記すくい面における前記ドロップレット中のＷ含有比率よりも低い構成からなる。

ここで、前記すくい面における前記被覆層のＴｉとＡｌとの総量に対するＷの比率をＷ_ｒ、前記逃げ面における前記被覆層のＴｉとＡｌとの総量に対するＷの比率をＷ_ｆとしたとき、Ｗ_ｆ／Ｗ_ｒが１．５〜３．２であることが望ましく、前記すくい面における前記被覆層のＴｉとＡｌとの総量に対するＡｌの比率をＡｌ_ｒ、前記逃げ面における前記被覆層のＴｉとＡｌとの総量に対するＡｌの比率をＡｌ_ｆとしたとき、Ａｌ_ｒ／Ａｌ_ｆが１．０３〜１．１であることが望ましい。

また、前記逃げ面における前記被覆層の厚みが前記すくい面における前記被覆層の厚みよりも厚いことが望ましい。

また、前記被覆層が、Ｔｉ_{１−ａ１−ｂ１−ｃ１} Ａｌ_ａ１Ｗ_ｂ１Ｍ_ｃ１（Ｃ_１−ｘ１Ｎ_ｘ１）（ただし０≦ａ１≦０．８、０≦ｂ１≦０．２、０≦ｃ１≦０．２、０≦ｘ１≦１）で表される第１被覆層と、Ｔｉ_{１−ａ2−ｂ2−ｃ２} Ａｌ_ａ2Ｗ_ｂ2Ｍ_ｃ2（Ｃ_１−ｘ2Ｎ_ｘ2）（ただし、０≦ａ２≦０．８、０≦ｂ２≦０．２、０≦ｃ２≦０．２、０≦ｘ２≦１
、ａ１＝ａ２かつｂ１＝ｂ２かつｃ１＝ｃ２は除く。）で表される第２被覆層とが１０層以上繰り返し交互に積層された構成であってもよい。

さらに、前記第２被覆層が、Ｔｉ_１−ａ2Ａｌ_ａ2（Ｃ_１−ｘ2Ｎ_ｘ2）（ただし、０．３≦ａ２≦０．８、０≦ｘ２≦１）で表されるものであってもよい。

本発明の切削工具によれば、所定の組成範囲からなる被覆層中のＷ含有比率がすくい面よりも逃げ面で多い組成からなることによって、すくい面における被覆層の耐酸化性が高くて切屑の溶着や酸化による摩耗の進行を抑制できるとともに、逃げ面における被覆層の耐チッピング性が高くて平滑な加工面を作ることができるとともに、チッピングから進行する逃げ面の摩耗を抑制することができる結果、難削材の加工等の厳しい切削条件においても耐摩耗性や耐溶着性に優れた切削加工が可能であるとともに、平滑でくすみのない切削加工面を実現することができる。

ここで、上記構成において、前記すくい面における前記被覆層のＴｉとＡｌとの総量に対するＷの比率をＷ_ｒ、前記逃げ面における前記被覆層のＴｉとＡｌとの総量に対するＷの比率をＷ_ｆとしたとき、Ｗ_ｆ／Ｗ_ｒが１．５〜３．２であることが、すくい面における耐溶着性を高めるとともに逃げ面においてチッピングにより切削面が荒れることを抑制する上で望ましく、前記すくい面における前記被覆層のＴｉとＡｌとの総量に対するＡｌの比率をＡｌ_ｒ、前記逃げ面における前記被覆層のＴｉとＡｌとの総量に対するＡｌの比率をＡｌ_ｆとしたとき、Ａｌ_ｒ／Ａｌ_ｆが１．０３〜１．１であることが、すくい面および逃げ面に求められる耐摩耗性および耐欠損性のバランスを最適化する点で望ましい。

さらに、この構成において、前記被覆層の表面にドロップレットが存在するとともに、前記逃げ面における前記ドロップレット中のＷ含有比率が前記すくい面における前記ドロップレット中のＷ含有比率よりも低いことが、すくい面における切屑の溶着抑制および逃げ面における耐チッピング性改善の点で重要である。

本発明の切削工具は、すくい面と逃げ面とを有する切削工具基体の表面に被覆層が形成されており、該被覆層はＴｉ_{１−ａ−ｂ−ｃ} Ａｌ_ａＷ_ｂＭ_ｃ（Ｃ_１−ｘＮ_ｘ）（ただし、ＭはＴｉおよびＷを除く周期表第４、５、６族金属、ＳｉおよびＹから選ばれる少なくとも１種、０．３≦ａ≦０．６、０．０１≦ｂ≦０．２、０≦ｃ≦０．２、０≦ｘ≦１）の
構成からなる。

ここで、ａが０．３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０．６より大きいと立方晶から六方晶へと変わるため硬度低下が著しくなる。また、ｂが０．０１より小さいと低靭性となり、逆にｂが０．２より大きいと硬度低下が著しくなる。さらに、ｃが０．２より大きいと摩擦係数が大きくなり耐溶着性が得られなくなる。

そして、この被覆層については、すくい面におけるタングステン（Ｗ）の含有比率に対して逃げ面におけるタングステン（Ｗ）の含有比率が高い構成からなる。これによって、すくい面における被覆層の耐酸化性が高くて、切屑の溶着や酸化による摩耗の進行を抑制できるとともに、逃げ面における被覆層の耐チッピング性が高くて切削する際の加工面を平滑にできかつチッピングから進行する摩耗を抑制することができる結果、溶着や欠損の発生しやすい切削条件においても平滑な加工面を形成して長寿命な切削工具とするができる。

ここで、上記構成において、すくい面における被覆層のＴｉとＡｌとの総量に対するＷの比率をＷ_ｒ、逃げ面における被覆層のＴｉとＡｌとの総量に対するＷの比率をＷ_ｆとしたとき、Ｗ_ｆ／Ｗ_ｒが１．５〜３．２であることが、すくい面における耐溶着性を高めるとともに逃げ面における耐チッピング性を高める上で望ましい。また、すくい面における被覆層のＴｉとＡｌとの総量に対するＡｌの比率をＡｌ_ｒ、逃げ面における被覆層のＴｉとＡｌとの総量に対するＡｌの比率をＡｌ_ｆとしたとき、Ａｌ_ｒ／Ａｌ_ｆが１．０３〜１．１であることが、すくい面および逃げ面に求められる耐摩耗性および耐欠損性のバランスを最適化する点で望ましい。

なお、被覆層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線分光（ＥＤＳ）分析装置を用いて測定することができ、被覆層中の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Ｋ_α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の含有量を求め、その量からＷ_ｒ、Ｗ_ｆ、Ａｌ_ｒ、Ａｌ_ｆをそれぞれ算出し、その比Ｗ_ｆ／Ｗ_ｒ、Ａｌ_ｒ／Ａｌ_ｆを求める。また、本発明によれば、Ａｌ_ｒ、Ａｌ_ｆ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。

また、上記構成において、逃げ面における被覆層の膜厚がすくい面における被覆層の膜厚よりも厚いことが、耐チッピング性を向上させるために望ましい。すくい面における被覆層の膜厚ｔ_ｒと逃げ面における被覆層の膜厚ｔ_ｆとの比率ｔ_ｒ／ｔ_ｆの望ましい範囲は０．４５〜０．８５である。

さらに、この構成において、被覆層の表面にドロップレットが存在するとともに、逃げ面における前記ドロップレット中のＷ含有比率がすくい面におけるドロップレット中のＷ含有比率よりも低いことが、すくい面における切屑の溶着抑制と逃げ面におけるチッピングの抑制とのバランスの点で重要である。

また、被覆層が、Ｔｉ_{１−ａ１−ｂ１−ｃ１} Ａｌ_ａ１Ｗ_ｂ１Ｍ_ｃ１（Ｃ_１−ｘ１Ｎ_ｘ１）（ただし０≦ａ１≦０．８、０≦ｂ１≦０．２、０≦ｃ１≦０．２、０≦ｘ１≦１）で表される第１被覆層と、Ｔｉ_{１−ａ2−ｂ2−ｃ２} Ａｌ_ａ2Ｗ_ｂ2Ｍ_ｃ2（Ｃ_１−ｘ2Ｎ_ｘ2）
（ただし、０≦ａ２≦０．８、０≦ｂ２≦０．２、０≦ｃ２≦０．２、０≦ｘ２≦１、ａ１＝ａ２かつｂ１＝ｂ２かつｃ１＝ｃ２は除く。）で表される第２被覆層とが１０層以上繰り返し交互に積層された積層構造であることが望ましく、これによって、被覆層の硬度が向上するとともに、被覆層の内部応力を低くできて厚い被覆層をつけても被覆層がチッピングや剥離しなくなる。

このとき、第２被覆層が、Ｔｉ_１−ａ2Ａｌ_ａ2（Ｃ_１−ｘ2Ｎ_ｘ2）（ただし、０．３≦ａ２≦０．８、０≦ｘ２≦１）で表される場合には、特に被覆層の硬度が向上して耐摩耗性が向上する。

なお、被覆層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≦ｘ≦０．５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）、金属アルミニウム（Ａｌ）、および所望により金属タングステン（Ｗ）、金属Ｍ（ただし、ＭはＴｉおよびＷを除く周期表第４、５、６族元素、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、上記金属を含有する焼結ターゲットとともに別途Ｗの金属または化合物を含有するターゲットを準備し、Ｗターゲットはチャンバの上壁面位置に、それ以外の金属または合金ターゲットはチャンバの側壁面位置にセットし、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を本発明の構成とすることができる。なお、Ｗの金属または化合物を含有するターゲットには、Ｔｉ等の別の金属成分を添加してもよく、また、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、被覆層の表面に析出するドロップレットの組成はすくい面が逃げ面よりＷ（タングステン）の含有比率が高いものとなる傾向にある。

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上面とほぼ平行に、かつすくい面がチャンバの側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。

また、上記積層構造の被覆層を成膜するには、第１被覆層の組成に近い組成の第１ターゲットと第２被覆層の組成に近い組成の第２ターゲットとの２つの組成のターゲットを成膜装置の側面に装着するとともに、Ｗターゲットはチャンバの上壁面の第１ターゲットまたは第２ターゲットの位置から近い位置に装着して、試料を装置内で回転させながら成膜することによって形成できる。

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％、炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）粉末を０．８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セットし基体を５００℃に加熱して、表１に示すバイアス電圧にて表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３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、アーク電流１５０Ａ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５００００倍にて組織観察を行い、被覆層を構成する結晶の形状や膜厚（ｔ_ｒ、ｔ_ｆ）を確認した。また、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Ｔｉ、ＡｌおよびＷの含有比率を測定してＷ_ｒ、Ｗ_ｆ、Ａｌ_ｒ、Ａｌ_ｆを算出した。結果は表２に示した。

また、すくい面および逃げ面における直径が３μｍ以上のドロップレットを大きい順に１０個選択し、各ドロップレットの組成を測定してＷの含有比率を求め、これら１０個のドロップレットのＷ含有比率の平均値を算出した。なお、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。さらに、すくい面および逃げ面におけるドロップレットの存在比率を比較するために、直径１μｍ以上のドロップレットのみを選んで、被覆層の表面全体に対するドロップレットの占有面積と平均粒径を測定した。結果は表３に示した。

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：１０分間切削した時点で、逃げ面摩耗量と切刃におけるチッピング状態を測定。

表１〜３より、Ｗの比率がすくい面よりも逃げ面において低いか同じであった試料Ｎｏ．Ｉ−７〜９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、Ｗの比率がすくい面よりも逃げ面において高い試料Ｎｏ．Ｉ−１〜６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。なお、試料Ｎｏ．Ｉ−３、６は、本発明の参考例である。

実施例１の切削インサート基体を用いて、表４に示す３種類のターゲットを側面に２種類と上面に１種類装着し、実施例１と同様に表４に示す被覆層を成膜した。なお、メインターゲットは焼結ターゲットを用い、チャンバの側壁面に１個ずつセットした。また、サブターゲットは表４に記載の各金属の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４に示すセット位置の壁面に１個セットした。

得られたインサートについて、実施例１と同様に、被覆層を構成する結晶の形状や膜厚（ｔ_ｒ、ｔ_ｆ）および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Ｔｉ、ＡｌおよびＷの含有比率を測定してＷ_ｒ、Ｗ_ｆ、Ａｌ_ｒ、Ａｌ_ｆを算出した。結果は表５に示した。なお、被覆層を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）にて観察したところ、厚み１０ｎｍ以下の間隔で表５の組成（詳細）に示す第１層（上段）と第２層（下段）が積層された構成となっていた。また、実施例１と同様にドロップレットのＷ含有比率の平均値と、被覆層の表面全体に対するドロップレットの占有面積と平均粒径を測定し、表６に記載した。さらに、得られたインサートを用いて実施例１と同じ切削条件にて切削試験を行った。結果は表７に記載した。

表４〜７より、Ｗの比率がすくい面よりも逃げ面において高い試料Ｎｏ．II−１〜６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。なお、試料Ｎｏ．II−３、６は、本発明の参考例である。

Claims (6)

1. すくい面と逃げ面とを有する切削工具基体の表面にＴｉ_{１−ａ−ｂ−ｃ} Ａｌ_ａＷ_ｂＭ_ｃ（Ｃ_１−ｘＮ_ｘ）（ただし、ＭはＴｉおよびＷを除く周期表第４、５、６族金属、ＳｉおよびＹから選ばれる少なくとも１種、０．３≦ａ≦０．６、０．０１≦ｂ≦０．２、０≦ｃ≦０．２、０≦ｘ≦１）で表される被覆層が設けられており、前記すくい面におけるＷの含有比率に対して前記逃げ面におけるＷの含有比率が高いとともに、前記被覆層の表面にドロップレットが存在するとともに、前記逃げ面における前記ドロップレット中のＷ含有比率が前記すくい面における前記ドロップレット中のＷ含有比率よりも低い切削工具。
2. 前記すくい面における前記被覆層のＴｉとＡｌとの総量に対するＷの比率をＷ_ｒ、前記逃げ面における前記被覆層のＴｉとＡｌとの総量に対するＷの比率をＷ_ｆとしたとき、Ｗ_ｆ／Ｗ_ｒが１．５〜３．２である請求項１記載の切削工具。
3. 前記すくい面における前記被覆層のＴｉとＡｌとの総量に対するＡｌの比率をＡｌ_ｒ、前記逃げ面における前記被覆層のＴｉとＡｌとの総量に対するＡｌの比率をＡｌ_ｆとしたとき、Ａｌ_ｒ／Ａｌ_ｆが１．０３〜１．１である請求項１または２記載の切削工具。
4. 前記逃げ面における前記被覆層の厚みが前記すくい面における前記被覆層の厚みよりも厚い請求項１乃至３のいずれか記載の切削工具。
5. 前記被覆層が、Ｔｉ_{１−ａ１−ｂ１−ｃ１} Ａｌ_ａ１Ｗ_ｂ１Ｍ_ｃ１（Ｃ_１−ｘ１Ｎ_ｘ１）（ただし０≦ａ１≦０．８、０≦ｂ１≦０．２、０≦ｃ１≦０．２、０≦ｘ１≦１）で表される第１被覆層と、Ｔｉ_{１−ａ2−ｂ2−ｃ２} Ａｌ_ａ2Ｗ_ｂ2Ｍ_ｃ2（Ｃ_１−ｘ2Ｎ_ｘ2）（
   ただし、０≦ａ２≦０．８、０≦ｂ２≦０．２、０≦ｃ２≦０．２、０≦ｘ２≦１、ａ１＝ａ２かつｂ１＝ｂ２かつｃ１＝ｃ２は除く。）で表される第２被覆層とが１０層以上繰り返し交互に積層された構成からなる請求項１乃至４のいずれか記載の切削工具。
6. 前記第２被覆層が、Ｔｉ_１−ａ2Ａｌ_ａ2（Ｃ_１−ｘ2Ｎ_ｘ2）（ただし、０．３≦ａ２≦０．８、０≦ｘ２≦１）で表される請求項５記載の切削工具。