JP5679048B2 - 被覆切削工具 - Google Patents
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Description
本発明は、耐チッピング性及び耐摩耗性に優れ、例えば鋼や鋳鉄などの連続切削は勿論のこと、これらのフライス切削や断続切削に用いた場合にも耐摩耗性に優れた被覆切削工具に関する。
被覆切削工具の従来技術としては、炭化タングステン基超硬合金基体の表面に、平均層厚が３〜１０μｍであり、粒状結晶組織を有する窒化チタン層と炭窒化チタン層の交互２層以上で構成された硬質被覆層を有し、前記炭窒化チタン層の少なくとも１層が縦長成長結晶組織である表面被覆炭化タングステン基超硬合金製切削工具が挙げられる（例えば、特許文献１参照。）。
また、ＷＣ基超硬合金基体の表面に、化学蒸着法を用いてＴｉＮ及びＴｉＣＮの交互積層からなる多層被覆層を１〜５μｍの層厚で形成してなる表面被覆超硬合金製切削工具も、被覆切削工具の従来技術として挙げられる（例えば、特許文献２参照。）。
近年機械加工の現場では、加工後の被削材の品質、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が年々進んでおり、上記の特許文献１または特許文献２に記載された従来の切削工具では、当該工具が取り付けられた切削装置において、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い。このため、短い加工時間で被削材の加工寸法が規定の範囲を超えるようになる傾向にあった。
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。しかし、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、耐摩耗性および耐チッピング性に優れた被覆切削工具の提供を目的とする。
本発明者は、被覆切削工具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、超硬合金基材の表面に、化学蒸着法によって平均膜厚１０〜３００ｎｍのＴｉＮ膜と平均膜厚０．１〜０．５μｍのＴｉＣＮ膜とからなる交互積層膜を有する下部膜を形成し、さらに当該下部膜の表面に、酸化アルミニウム膜を有する上部膜を形成して得られた被覆切削工具は、耐摩耗性および耐チッピング性に優れることを見出した。
この被覆切削工具を使用すれば、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、それにより被削材の加工寸法の変化が抑制される。そのため、前記加工寸法の変化を抑制するために行われていた工具刃先位置の補正作業の回数が低減される。
本発明の要旨は次のとおりである。
（１）超硬合金基材と、該基材の表面に化学蒸着法によって形成された被膜とを備える被覆切削工具であって、前記被膜の平均膜厚は３〜２０μｍであり、該被膜は、前記基材の表面に形成された平均膜厚２〜１５μｍの下部膜と、該下部膜の前記基材と接する面とは反対側の表面に形成された平均膜厚１〜１０μｍの上部膜とから構成され、前記下部膜は、平均膜厚１０〜３００ｎｍのＴｉＮ膜と平均膜厚０．１〜０．５μｍのＴｉＣＮ膜とを交互に積層した交互積層膜を有し、前記上部膜は酸化アルミニウム膜を有する被覆切削工具。
（２）前記上部膜が、Ｔｉの炭化物、Ｔｉの炭酸化物、Ｔｉの炭窒酸化物、ＴｉとＡｌとを含む炭酸化物及びＴｉとＡｌとを含む炭窒酸化物からなる群より選ばれる少なくとも１種の金属化合物からなる中間膜を備え、該中間膜が前記下部膜に接している（１）に記載の被覆切削工具。
（３）前記交互積層膜の硬度が２８ＧＰａ〜４０ＧＰａである（１）または（２）に記載の被覆切削工具。
（４）前記交互積層膜中のＴｉＣＮ膜のＸ線回折測定のｓｉｎ２Ψ法により測定した引張残留応力が４００ＭＰａ以下である（１）〜（３）のいずれかに記載の被覆切削工具。
（５）前記酸化アルミニウム膜がα型酸化アルミニウム膜である（１）〜（４）のいずれかに記載の被覆切削工具。
（６）前記被覆切削工具において、前記上部膜の前記下部膜と接する面と反対側の表面の算術平均粗さＲａが、０．０３〜０．３μｍである（１）〜（５）のいずれかに記載の被覆切削工具。
（７）前記被膜の平均膜厚が３．５〜１８μｍである（１）〜（６）のいずれかに記載の被覆切削工具。
（８）前記下部膜の平均膜厚が２〜１３μｍである（１）〜（７）のいずれかに記載の被覆切削工具。
（９）前記交互積層膜中のＴｉＮ膜の平均膜厚が１０〜２５０ｎｍである（１）〜（８）のいずれかに記載の被覆切削工具。
（１０）前記交互積層膜中のＴｉＣＮ膜の平均膜厚が０．１５〜０．４μｍである（１）〜（９）のいずれかに記載の被覆切削工具。
（１１）前記交互積層膜の平均膜厚が２〜１５μｍである（１）〜（１０）のいずれかに記載の被覆切削工具。
（１２）前記交互積層膜におけるＴｉＮ膜及びＴｉＣＮ膜の積層数が４〜１２０層である（１）〜（１１）のいずれかに記載の被覆切削工具。
（１３）前記中間膜の平均膜厚が０．１〜２μｍである（２）〜（１２）のいずれかに記載の被覆切削工具。
（１４）前記中間膜が、ＴｉＣ、ＴｉＣＯ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＡｌＣＯ又はＴｉＡｌＣＮＯからなる膜である（２）〜（１３）のいずれかに記載の被覆切削工具。
（１）超硬合金基材と、該基材の表面に化学蒸着法によって形成された被膜とを備える被覆切削工具であって、前記被膜の平均膜厚は３〜２０μｍであり、該被膜は、前記基材の表面に形成された平均膜厚２〜１５μｍの下部膜と、該下部膜の前記基材と接する面とは反対側の表面に形成された平均膜厚１〜１０μｍの上部膜とから構成され、前記下部膜は、平均膜厚１０〜３００ｎｍのＴｉＮ膜と平均膜厚０．１〜０．５μｍのＴｉＣＮ膜とを交互に積層した交互積層膜を有し、前記上部膜は酸化アルミニウム膜を有する被覆切削工具。
（２）前記上部膜が、Ｔｉの炭化物、Ｔｉの炭酸化物、Ｔｉの炭窒酸化物、ＴｉとＡｌとを含む炭酸化物及びＴｉとＡｌとを含む炭窒酸化物からなる群より選ばれる少なくとも１種の金属化合物からなる中間膜を備え、該中間膜が前記下部膜に接している（１）に記載の被覆切削工具。
（３）前記交互積層膜の硬度が２８ＧＰａ〜４０ＧＰａである（１）または（２）に記載の被覆切削工具。
（４）前記交互積層膜中のＴｉＣＮ膜のＸ線回折測定のｓｉｎ２Ψ法により測定した引張残留応力が４００ＭＰａ以下である（１）〜（３）のいずれかに記載の被覆切削工具。
（５）前記酸化アルミニウム膜がα型酸化アルミニウム膜である（１）〜（４）のいずれかに記載の被覆切削工具。
（６）前記被覆切削工具において、前記上部膜の前記下部膜と接する面と反対側の表面の算術平均粗さＲａが、０．０３〜０．３μｍである（１）〜（５）のいずれかに記載の被覆切削工具。
（７）前記被膜の平均膜厚が３．５〜１８μｍである（１）〜（６）のいずれかに記載の被覆切削工具。
（８）前記下部膜の平均膜厚が２〜１３μｍである（１）〜（７）のいずれかに記載の被覆切削工具。
（９）前記交互積層膜中のＴｉＮ膜の平均膜厚が１０〜２５０ｎｍである（１）〜（８）のいずれかに記載の被覆切削工具。
（１０）前記交互積層膜中のＴｉＣＮ膜の平均膜厚が０．１５〜０．４μｍである（１）〜（９）のいずれかに記載の被覆切削工具。
（１１）前記交互積層膜の平均膜厚が２〜１５μｍである（１）〜（１０）のいずれかに記載の被覆切削工具。
（１２）前記交互積層膜におけるＴｉＮ膜及びＴｉＣＮ膜の積層数が４〜１２０層である（１）〜（１１）のいずれかに記載の被覆切削工具。
（１３）前記中間膜の平均膜厚が０．１〜２μｍである（２）〜（１２）のいずれかに記載の被覆切削工具。
（１４）前記中間膜が、ＴｉＣ、ＴｉＣＯ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＡｌＣＯ又はＴｉＡｌＣＮＯからなる膜である（２）〜（１３）のいずれかに記載の被覆切削工具。
本発明の被覆切削工具は優れた耐摩耗性および耐チッピング性を示す。本発明の被覆切削工具を使用すると、当該工具を取り付けた切削装置において、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、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することができ、種々の加工製品の生産性向上につながる。
［被覆切削工具］
本発明の被覆切削工具は、超硬合金基材と、化学蒸着法によって当該超硬合金基材の表面に形成された被膜とを備える。
本発明の被覆切削工具は、超硬合金基材と、化学蒸着法によって当該超硬合金基材の表面に形成された被膜とを備える。
〔超硬合金基材〕
前記超硬合金基材は、例えば、ＷＣおよび、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、ＭｏもしくはＷの炭化物、窒化物、炭窒化物ならびにこれらの相互固溶体からなる群より選ばれる少なくとも１種からなる硬質相形成粉末と、Ｃｏの結合相形成粉末との混合粉末を焼結して得られる超硬合金である。
前記超硬合金基材は、例えば、ＷＣおよび、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、ＭｏもしくはＷの炭化物、窒化物、炭窒化物ならびにこれらの相互固溶体からなる群より選ばれる少なくとも１種からなる硬質相形成粉末と、Ｃｏの結合相形成粉末との混合粉末を焼結して得られる超硬合金である。
このようにして得られた超硬合金は、ＷＣの硬質相とＣｏを主成分とする結合相、または、ＷＣの硬質相と、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、ＭｏもしくはＷの炭化物、窒化物、炭窒化物およびこれらの相互固溶体からなる群より選ばれる少なくとも１種からなる硬質相と、Ｃｏを主成分とする結合相とで構成される。
また、ＷＣの硬質相と、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、ＭｏおよびＷの中から選ばれた２種以上の金属元素を含む炭化物、窒化物、炭窒化物およびこれらの相互固溶体からなる群より選ばれる少なくとも１種からなる硬質相（β相）と、Ｃｏを主成分とする結合相とで構成される超硬合金基材の表面近傍に、ＷＣの硬質相とＣｏを主成分とする結合相とからなる脱β層が形成されると、本発明の被覆切削工具は優れた靱性を発揮し、偏摩耗、欠損等の発生もなく長期の使用に亘って優れた耐摩耗性を発揮する。
当該脱β層の平均厚みは、１μｍ未満であると本発明の被覆切削工具の耐欠損性が低下する傾向が見られ、３０μｍを超えると被覆切削工具の耐塑性変形性が低下する傾向が見られる。そのため、本発明においては、脱β層の平均厚みを１〜３０μｍとすると好ましく、その中でも耐欠損性を向上させる観点から、脱β層の平均厚みは、５〜２５μｍであることがさらに好ましい。
また、以上説明した超硬合金基材の厚みは特に制限されないが、通常１〜１２０ｍｍである。
〔被膜〕
本発明の被覆切削工具を構成する被膜は化学蒸着法によって形成される。化学蒸着法によって形成すると、前記基材と被膜との密着強度を高くすることができる。これは、化学蒸着法の温度が高く、前記基材と被膜との界面で超硬合金基材成分の拡散が生じるためと考えられる。そのため前記被膜を化学蒸着法によって形成すると、物理蒸着法で形成した場合に比べて耐剥離性および耐チッピング性に優れた被覆切削工具が得られる。
本発明の被覆切削工具を構成する被膜は化学蒸着法によって形成される。化学蒸着法によって形成すると、前記基材と被膜との密着強度を高くすることができる。これは、化学蒸着法の温度が高く、前記基材と被膜との界面で超硬合金基材成分の拡散が生じるためと考えられる。そのため前記被膜を化学蒸着法によって形成すると、物理蒸着法で形成した場合に比べて耐剥離性および耐チッピング性に優れた被覆切削工具が得られる。
本発明の被覆切削工具を構成する被膜の平均膜厚は、３μｍ未満であると被覆切削工具の耐摩耗性が低下し、一方２０μｍを超えると刃先がチッピングしやすくなる。そのため本発明においては、被膜の平均膜厚を３〜２０μｍとする。
なお、本明細書において平均膜厚は、透過型電子顕微鏡を用いて膜の断面から、任意の５ヶ所の厚みを測定し、その平均値として求められる。以下同様である。
また、本発明の被覆切削工具において優れた耐摩耗性を達成し、チッピングを抑制する観点からは、前記被膜の平均膜厚は３．５〜１８μｍであることが好ましい。
＜下部膜＞
前記被膜は下部膜と上部膜とから構成されるが、該下部膜は超硬合金基材の表面に化学蒸着法によって形成される。前記下部膜の平均膜厚は、２μｍ未満であると被覆切削工具の耐摩耗性が低下し、１５μｍを超えると被膜の剥離を起点としたチッピングが発生しやすくなる。そのため本発明においては、前記下部膜の平均膜厚を２〜１５μｍとする。
前記被膜は下部膜と上部膜とから構成されるが、該下部膜は超硬合金基材の表面に化学蒸着法によって形成される。前記下部膜の平均膜厚は、２μｍ未満であると被覆切削工具の耐摩耗性が低下し、１５μｍを超えると被膜の剥離を起点としたチッピングが発生しやすくなる。そのため本発明においては、前記下部膜の平均膜厚を２〜１５μｍとする。
本発明の被覆切削工具において優れた耐摩耗性を達成し、チッピングを抑制する観点からは、前記下部膜の平均膜厚は２〜１３μｍであることが好ましい。
（交互積層膜）
このような下部膜は、平均膜厚１０〜３００ｎｍのＴｉＮ膜と平均膜厚０．１〜０．５μｍのＴｉＣＮ膜とを交互に積層した交互積層膜を有する。ＴｉＮ膜は靭性に優れ、ＴｉＣＮ膜は耐摩耗性に優れるので、これらの交互積層膜を使用することで、本発明の被覆切削工具の靭性及び耐摩耗性の両方を向上させることができる。
このような下部膜は、平均膜厚１０〜３００ｎｍのＴｉＮ膜と平均膜厚０．１〜０．５μｍのＴｉＣＮ膜とを交互に積層した交互積層膜を有する。ＴｉＮ膜は靭性に優れ、ＴｉＣＮ膜は耐摩耗性に優れるので、これらの交互積層膜を使用することで、本発明の被覆切削工具の靭性及び耐摩耗性の両方を向上させることができる。
前記交互積層膜において、化学蒸着法によっては平均膜厚１０ｎｍ未満のＴｉＮ膜を形成することは非常に困難であり、一方ＴｉＮ膜の平均膜厚が３００ｎｍを超えると被覆切削工具の耐摩耗性が低下する。このことから、交互積層膜のＴｉＮ膜の平均膜厚を１０〜３００ｎｍとする。なお、被覆切削工具の耐摩耗性の観点から、ＴｉＮ膜の平均膜厚は好ましくは１０〜２５０ｎｍである。
次に、前記交互積層膜においてＴｉＣＮ膜の平均膜厚は、０．１μｍ未満であると本発明の被覆切削工具の耐摩耗性が低下し、一方平均膜厚が０．５μｍを超えると、交互積層膜の剥離を起点としたチッピングが発生しやすくなる。このことから、前記交互積層膜のＴｉＣＮ膜の平均膜厚を０．１〜０．５μｍとする。なお、被覆切削工具において優れた耐摩耗性を達成し、チッピングを抑制する観点からは、ＴｉＣＮ膜の平均膜厚は、好ましくは０．１５〜０．４μｍである。
以上説明したＴｉＮ膜及びＴｉＣＮ膜が交互に積層されてなる交互積層膜全体の平均膜厚は、２μｍ未満であると本発明の被覆切削工具の耐摩耗性が低下し、一方平均膜厚が１５μｍを超えると被膜の剥離を起点としたチッピングが発生しやすくなる。そのため前記交互積層膜全体の平均膜厚は２〜１５μｍであることが好ましい。
さらに、前記交互積層膜におけるＴｉＮ膜及びＴｉＣＮ膜の積層数は、本発明の被覆切削工具の耐摩耗性の観点から通常４〜１２０層、好ましくは１０〜１００層である。ここで積層数は、ＴｉＮ膜を１層、ＴｉＣＮ膜を１層と数えたとき、合計で何層存在するかを表す。
交互積層膜が超硬合金基材と接している場合、ＴｉＮ膜とＴｉＣＮ膜のいずれが前記基材と接していてもよい。なお、密着性の観点からは、ＴｉＮ膜が前記基材と接していることが好ましい。
また後述する通り、下部膜の上には上部膜が形成されるが、交互積層膜がこの上部膜と接している場合、ＴｉＮ膜とＴｉＣＮ膜のいずれが前記上部膜と接していてもよい。なお、密着性の観点からは、ＴｉＣＮ膜が前記上部膜と接していることが好ましい。
交互積層膜の硬度が４０ＧＰａを超えると交互積層膜の靭性が低下し、交互積層膜の剥離を起点としたチッピングが発生しやすくなる傾向が見られる。逆に交互積層膜の硬度が低く２８ＧＰａ未満であると、本発明の被覆切削工具の耐摩耗性が低下する傾向が見られる。そのため、交互積層膜の硬度は２８ＧＰａ〜４０ＧＰａであることが好ましい。
交互積層膜の硬度は、交互積層膜のＴｉＮ膜とＴｉＣＮ膜の平均膜厚により調整できる。具体的には、ＴｉＮ膜とＴｉＣＮ膜のそれぞれの膜の平均膜厚を薄くすることで、交互積層膜の硬度を高くすることができる。なお交互積層膜の硬度は、本発明の被覆切削工具において、交互積層膜よりも表面側に被覆された膜（上部膜等）を研磨により除去して得られた交互積層膜の表面に、ダイヤモンド圧子を印加して測定することができる。
超硬合金基材の熱膨張率よりも交互積層膜の熱膨張率が大きいので、本発明の被覆切削工具を製造した時点において、交互積層膜には引張残留応力が生じる。さらに、ＴｉＮとＴｉＣＮは熱膨張率が異なるので、ＴｉＮ膜の引張残留応力とＴｉＣＮ膜の引張残留応力は異なる。
そこで、平均膜厚が厚く残留応力の測定が容易な交互積層膜のＴｉＣＮ膜の残留応力を測定したところ、ＴｉＣＮ膜の引張残留応力が４００ＭＰａを超えると、耐チッピング性が低下する傾向が見られた。このことから、本発明の交互積層膜のＴｉＣＮ膜の引張残留応力は４００ＭＰａ以下であることが好ましい。また、ＴｉＣＮ膜の引張残留応力は通常１００ＭＰａ〜６００ＭＰａである。
なお交互積層膜のＴｉＣＮ膜の引張残留応力は、従来公知のＸ線回折測定のｓｉｎ２Ψ法により測定することができる。またｓｉｎ２Ψ法で引張残留応力を算出するために必要なＴｉＣＮ膜のヤング率はダイナミック硬度計等で測定する。またＴｉＣＮ膜のポアソン比は０．２とする。なお、交互積層膜よりも本発明の被覆切削工具における基材と反対側の表面に近い側に、交互積層膜に含まれないＴｉＣＮ膜が形成されていて、交互積層膜中のＴｉＣＮ膜の引張残留応力が測定できない場合は、その交互積層膜に含まれないＴｉＣＮ膜を研磨などにより除去するとよい。
なお、ＴｉＣＮ膜の引張残留応力を４００ＭＰａ以下にするためには、平均膜厚１０〜３００ｎｍのＴｉＮ膜と平均膜厚０．１〜０．５μｍのＴｉＣＮ膜とを交互に積層した交互積層膜の構成にすればよい。
＜上部膜＞
本発明の被覆切削工具を構成する下部膜の、超硬合金基材と接する面と反対側の表面には、上部膜が形成されている。本発明の上部膜は酸化アルミニウム膜を有するので、被覆切削工具の耐クレーター摩耗性が向上する。
本発明の被覆切削工具を構成する下部膜の、超硬合金基材と接する面と反対側の表面には、上部膜が形成されている。本発明の上部膜は酸化アルミニウム膜を有するので、被覆切削工具の耐クレーター摩耗性が向上する。
前記上部膜の平均膜厚は、１μｍ未満であると本発明の被覆切削工具のすくい面における耐クレーター摩耗性が向上せず、一方平均膜厚が１０μｍを超えると刃先が欠損しやすくなる。このことから、上部膜の平均膜厚を１〜１０μｍとする。
なお上部膜中の酸化アルミニウム膜の結晶型はα型やκ型やγ型など特に制限されないが、高温で安定なα型であることが好ましい。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おいて、酸化アルミニウム膜がα型酸化アルミニウム膜であると欠損やチッピングが起こりにくい。
このような酸化アルミニウム膜の平均膜厚は、０．５μｍ未満になると被覆切削工具のすくい面における耐クレーター摩耗性が向上せず、一方平均膜厚が１０μｍを超えると刃先が欠損しやすくなる。このことから、酸化アルミニウム膜の平均膜厚は０．５〜１０μｍであることが好ましく、０．５〜８μｍであることがより好ましい。
（中間膜）
本発明の被覆切削工具は、上部膜を構成する層として、Ｔｉの炭化物、Ｔｉの炭酸化物、Ｔｉの炭窒酸化物、ＴｉとＡｌとを含む炭酸化物及びＴｉとＡｌとを含む炭窒酸化物からなる群より選ばれる少なくとも１種の金属化合物からなる中間膜を備え、当該中間膜が上記下部膜に接していることが好ましい。
本発明の被覆切削工具は、上部膜を構成する層として、Ｔｉの炭化物、Ｔｉの炭酸化物、Ｔｉの炭窒酸化物、ＴｉとＡｌとを含む炭酸化物及びＴｉとＡｌとを含む炭窒酸化物からなる群より選ばれる少なくとも１種の金属化合物からなる中間膜を備え、当該中間膜が上記下部膜に接していることが好ましい。
このような構成の中間膜が存在すると、下部膜と上部膜との密着性が向上する。なお、中間膜の平均膜厚は通常０．１〜２μｍであり、さらに好ましくは、０．３〜１．０μｍである。該中間膜は以上挙げた種々の金属化合物からなる膜の複数の積層膜であってもよい。
前記中間膜として具体的には、ＴｉＣ、ＴｉＣＯ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＡｌＣＯ又はＴｉＡｌＣＮＯからなる膜などを挙げることができる。これらの中でもＴｉとＡｌとを含む炭窒酸化物からなる膜がさらに好ましい。ＴｉとＡｌとを含む炭窒酸化物からなる中間膜として具体的には、ＴｉＡｌＣＮＯを挙げることができる。
さらに、下部膜の超硬合金基材と接する面と反対側の表面に中間膜を形成し、その中間膜の下部膜と接する面と反対側の表面に酸化アルミニウム膜を形成すると、酸化アルミニウム膜と下部膜との密着性が向上するのでさらに好ましい。
（表面膜）
また、被覆切削工具の使用コーナーの識別を容易にするために、酸化アルミニウム膜の中間膜と接する面と反対側の表面に、Ｔｉの炭窒化物及び窒化物からなる群より選ばれる少なくとも１種からなる表面膜を形成すると、さらに好ましい。
また、被覆切削工具の使用コーナーの識別を容易にするために、酸化アルミニウム膜の中間膜と接する面と反対側の表面に、Ｔｉの炭窒化物及び窒化物からなる群より選ばれる少なくとも１種からなる表面膜を形成すると、さらに好ましい。
なお、当該表面膜は、Ｔｉの炭窒化物からなる膜及びＴｉの窒化物からなる膜の複数の積層膜であってもよい。また、この表面膜の形成方法は公知であり、種々の公知の化学蒸着の条件を採用することができる。このような表面膜の平均膜厚は、通常０．１〜５μｍである。
〔被膜の製造方法〕
本発明の被覆切削工具における被膜を構成する各膜の製造方法として、例えば、以下の方法を挙げることができる。
本発明の被覆切削工具における被膜を構成する各膜の製造方法として、例えば、以下の方法を挙げることができる。
下部膜の交互積層膜を構成するＴｉＮ膜は、原料ガス組成をＴｉＣｌ４：５．０〜１０．０ｍｏｌ％、Ｎ２：２０〜６０ｍｏｌ％、Ｈ２：残りとし、温度：８５０〜９２０℃、圧力：１００〜３５０ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。
また、交互積層膜を構成するＴｉＣＮ膜は、原料ガス組成をＴｉＣｌ４：１０〜１５ｍｏｌ％、ＣＨ３ＣＮ：１〜３ｍｏｌ％、Ｎ２：０〜２０ｍｏｌ％、Ｈ２：残りとし、温度：８５０〜９２０℃、圧力：６０〜１００ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。
上部膜中のα型酸化アルミニウム膜は、原料ガス組成をＡｌＣｌ３：２．１〜５．０ｍｏｌ％、ＣＯ２：２．５〜４．０ｍｏｌ％、ＨＣｌ：２．０〜３．０ｍｏｌ％、Ｈ２Ｓ：０．２８〜０．４５ｍｏｌ％、Ｈ２：残りとし、温度：９００〜１０００℃、圧力：６０〜８０ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。
なお、κ型酸化アルミニウム膜は、原料ガス組成をＡｌＣｌ３：２．０〜５．０ｍｏｌ％、ＣＯ２：４．２〜６．０ｍｏｌ％、ＣＯ：３．０〜６．０ｍｏｌ％、ＨＣｌ：３．５〜５．０ｍｏｌ％、Ｈ２Ｓ：０．３〜０．５ｍｏｌ％、Ｈ２：残りとし、温度：９００〜１０２０℃、圧力：６０〜８０ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。
中間膜として挙げられるＴｉＡｌＣＮＯ膜、ＴｉＣ膜、ＴｉＣＯ膜、ＴｉＣＮＯ膜及びＴｉＡｌＣＯ膜は、以下のようにして形成することができる。
ＴｉＡｌＣＮＯ膜は、原料ガス組成をＴｉＣｌ４：３．０〜５．０ｍｏｌ％、ＡｌＣｌ３：１．０〜２．０ｍｏｌ％、ＣＯ：０．４〜１．０ｍｏｌ％、Ｎ２：３０〜４０ｍｏｌ％、Ｈ２：残りとし、温度：９７５〜１０２５℃、圧力：９０〜１１０ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。
前記ＴｉＣ膜は、原料ガス組成をＴｉＣｌ４：１．０〜３．０ｍｏｌ％、ＣＨ４：４．０〜６．０ｍｏｌ％、Ｈ２：残りとし、温度：９９０〜１０３０℃、圧力：５０〜１００ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。
前記ＴｉＣＯ膜は、原料ガス組成をＴｉＣｌ４：１．２〜３．２ｍｏｌ％、ＣＯ：３．０〜５．０ｍｏｌ％、Ｈ２：残りとし、温度：９６０〜１０２５℃、圧力：１７０〜２１０ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。
前記ＴｉＣＮＯ膜は、原料ガス組成をＴｉＣｌ４：１．０〜３．０ｍｏｌ％、ＣＯ：２．０〜４．０ｍｏｌ％、Ｎ２：４〜６ｍｏｌ％、Ｈ２：残りとし、温度：９６０〜１０２５℃、圧力：６０〜１００ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。
前記ＴｉＡｌＣＯ膜は、原料ガス組成をＴｉＣｌ４：０．５〜１．５ｍｏｌ％、ＡｌＣｌ３：３．０〜５．０ｍｏｌ％、ＣＯ：２．０〜４．０ｍｏｌ％、Ｈ２：残りとし、温度：９７５〜１０２５℃、圧力：６０〜１００ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。
〔被覆切削工具表面の表面粗さ〕
本発明の被覆切削工具を構成する超硬合金基材の表面粗さと被膜の形成条件とを調整して、被覆切削工具の表面、より具体的には当該工具における上部膜の下部膜と接する面と反対側の表面の算術平均粗さＲａを調整することができる。これにより、被覆切削工具への被削材の溶着を抑制することができる
本発明の被覆切削工具を構成する超硬合金基材の表面粗さと被膜の形成条件とを調整して、被覆切削工具の表面、より具体的には当該工具における上部膜の下部膜と接する面と反対側の表面の算術平均粗さＲａを調整することができる。これにより、被覆切削工具への被削材の溶着を抑制することができる
被覆切削工具の表面の算術平均粗さＲａは通常０．０３〜０．５μｍであるが、好ましくは０．０３〜０．３μｍである。
また、前記被覆切削工具の表面に対して砥石による研磨処理あるいはウエットブラストによる研磨処理等の表面処理を施して、被覆切削工具の表面の算術平均粗さＲａを０．０３〜０．３μｍに調整するのも好ましい。なお、本明細書において算術平均粗さＲａは、ＪＩＳ Ｂ０６０１（２００１）に準拠して測定したものである。
以下、実施例により本発明についてより詳細に説明する。
［被覆切削工具の製造］
平均粒径４．５μｍのＷＣ粉：８９重量％と、平均粒径１．５μｍのＴｉＣＮ粉：２重量％と、平均粒径１．５μｍの（Ｔａ，Ｎｂ）Ｃ粉：２重量％と、平均粒径１．５μｍのＣｏ粉：７重量％とからなる混合粉末を焼結してＷＣ−（Ｔｉ，Ｗ，Ｔａ，Ｎｂ）（Ｃ，Ｎ）−Ｃｏ系超硬合金を得た。
平均粒径４．５μｍのＷＣ粉：８９重量％と、平均粒径１．５μｍのＴｉＣＮ粉：２重量％と、平均粒径１．５μｍの（Ｔａ，Ｎｂ）Ｃ粉：２重量％と、平均粒径１．５μｍのＣｏ粉：７重量％とからなる混合粉末を焼結してＷＣ−（Ｔｉ，Ｗ，Ｔａ，Ｎｂ）（Ｃ，Ｎ）−Ｃｏ系超硬合金を得た。
その超硬合金をＩＳＯ規格ＣＮＭＧ１２０４１２形状のインサートに加工して、超硬合金基材を得た。なお、この超硬合金基材の表面近傍には、ＷＣとＣｏとからなる脱β層が形成されていた。前記超硬合金基材の逃げ面における脱β層の平均厚みは１５μｍであった。この超硬合金基材上に化学蒸着法（比較品１０を除く）で下記表１に示す膜構成の被膜を形成した。
＊得られた被膜において、交互積層膜中のＴｉＮ膜が超硬合金基材と接し、前記交互積層膜中のＴｉＣＮ膜が中間膜と接し、該中間膜は酸化アルミニウム膜と接し、該酸化アルミニウム膜の中間膜と接する面と反対側の面に、表面膜であるＴｉＣＮ膜および／またはＴｉＮ膜がこの順に積層されている。
表１において交互積層膜における積層数は、ＴｉＮ膜を１層、ＴｉＣＮ膜を１層と数えたとき、合計で何層形成されているかを表している。
交互積層膜のＴｉＮ膜は、原料ガス組成をＴｉＣｌ４：９．０ｍｏｌ％、Ｎ２：４０ｍｏｌ％、Ｈ２：残りとし、温度：９００℃、圧力：１６０ｈＰａとする条件で形成した。
交互積層膜のＴｉＣＮ膜は、原料ガス組成をＴｉＣｌ４：１０．８ｍｏｌ％、ＣＨ３ＣＮ：１．３ｍｏｌ％、Ｎ２：１３．５ｍｏｌ％、Ｈ２：残りとし、温度：９００℃、圧力：９０ｈＰａとする条件で形成した。
これらの被覆条件で所定の積層数になるまでＴｉＮ膜とＴｉＣＮ膜とを交互に積層した。なお、発明品、比較品ともに下部膜は交互積層膜のみからなる。
中間膜のＴｉＡｌＣＮＯ膜は、原料ガス組成をＴｉＣｌ４：４．０ｍｏｌ％、ＡｌＣｌ３：１．２ｍｏｌ％、ＣＯ：０．６ｍｏｌ％、Ｎ２：３４ｍｏｌ％、Ｈ２：残りとし、温度：１０００℃、圧力：１００ｈＰａとする条件で形成した。
上部膜のα型酸化アルミニウム膜は、原料ガス組成をＡｌＣｌ３：２．３ｍｏｌ％、ＣＯ２：３．６ｍｏｌ％、ＨＣｌ：２．０ｍｏｌ％、Ｈ２Ｓ：０．３ｍｏｌ％、Ｈ２：残りとし、温度：１０００℃、圧力：７０ｈＰａとする条件で形成した。
上部膜のκ型酸化アルミニウム膜（発明品８）は、原料ガス組成をＡｌＣｌ３：２．５ｍｏｌ％、ＣＯ２：４．５ｍｏｌ％、ＣＯ：４．４ｍｏｌ％、ＨＣｌ：４．０ｍｏｌ％、Ｈ２Ｓ：０．４ｍｏｌ％、Ｈ２：残りとし、温度：１０００℃、圧力：７０ｈＰａとする条件で形成した。
上部膜のＴｉＣＮ膜は、原料ガス組成をＴｉＣｌ４：７．３ｍｏｌ％、Ｎ２：１１．６ｍｏｌ％、ＣＨ３ＣＮ：１．２ｍｏｌ％、Ｈ２：残りとし、温度：１０００℃、圧力：９０ｈＰａとする条件で形成した。
上部膜のＴｉＮ膜は、原料ガス組成をＴｉＣｌ４：９．０ｍｏｌ％、Ｎ２：４０ｍｏｌ％、Ｈ２：残りとし、温度：１０００℃、圧力：１６０ｈＰａとする条件で形成した。
比較品１０では、物理蒸着法によりＴｉＡｌＮ膜を形成したが、被覆切削工具の刃先で切削試験を行う前にＴｉＡｌＮ膜が超硬合金基材から剥離したため、切削性能を評価できなかった。また以下に示す試料表面の算術平均粗さＲａ等の測定も行わなかった。切削試験前にＴｉＡｌＮ膜が自然に剥離したのは、ＴｉＡｌＮ膜と基材との密着強度が十分でなく、ＴｉＡｌＮ膜の圧縮残留応力が非常に高かったためと考えられる。
［特性測定］
以上の化学蒸着法で得られた被覆切削工具試料表面（上部膜の下部膜と接する面と反対側の表面）の算術平均粗さＲａを、Ｍｉｔｕｔｏｙｏ製の表面性状測定機（ＳＵＲＦＰＡＫ−ＳＶ）を用いて測定した。
以上の化学蒸着法で得られた被覆切削工具試料表面（上部膜の下部膜と接する面と反対側の表面）の算術平均粗さＲａを、Ｍｉｔｕｔｏｙｏ製の表面性状測定機（ＳＵＲＦＰＡＫ−ＳＶ）を用いて測定した。
更に試料表面の上部膜をダイヤモンドラップ研磨で除去して、表面に現れた交互積層膜の硬度をダイナミック硬度計（ＭＴＳ社製ナノインデンター）を用いて測定した。
さらに交互積層膜中のＴｉＣＮ膜の引張残留応力を、ＲＩＧＡＫＵ製のＸ線回折装置（ＲＩＮＴ−ＴＴＲIII）を用いてｓｉｎ２Ψ法によって測定した。
これらの測定結果を下記表２に示す。
発明品１〜１１及び比較品１〜９の被覆切削工具について、被膜の組成を透過電子顕微鏡付属のエネルギー分散型Ｘ線分析装置により測定した。また、透過型電子顕微鏡を用いて被膜の断面から各膜の平均膜厚（５ヶ所の平均値）を測定したところ、いずれも目標膜厚（表１に示した値）と同じ値を示した。さらに、Ｘ線回折装置を用いて酸化アルミニウム膜の結晶型を調べたところ、いずれも目的とする結晶型（表１に示したもの）が得られていた。
［切削試験］
切削試験として、１試料当たり２個のサンプルを用意し、直径１２０ｍｍ×長さ４００ｍｍの円柱状のＳ５３Ｃ（硬さ：ＨＢ２７０）を被削材として使用して、下記の切削条件で端面切削を行った。
切削試験として、１試料当たり２個のサンプルを用意し、直径１２０ｍｍ×長さ４００ｍｍの円柱状のＳ５３Ｃ（硬さ：ＨＢ２７０）を被削材として使用して、下記の切削条件で端面切削を行った。
＜切削条件＞
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ、
切込み：２ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ、
切削雰囲気：湿式（水溶性エマルジョン使用）、
１回の切削時間：１５ｍｉｎ、
試験回数：２回
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ、
切込み：２ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ、
切削雰囲気：湿式（水溶性エマルジョン使用）、
１回の切削時間：１５ｍｉｎ、
試験回数：２回
切削試験終了後に逃げ面摩耗幅を測定し、チッピングの有無を確認した。切削試験は２回行った。下記表３に、試料の逃げ面摩耗幅の平均値とチッピングが生じたサンプル数を示す。
表３に示した結果から、発明品（本発明の被覆切削工具）は比較品に対して耐摩耗性および耐チッピング性に優れることが分かる。比較品は逃げ面摩耗幅の平均値が０．２５ｍｍ以上であり発明品よりも耐摩耗性が低い。その中でも、チッピングが生じた比較品３及び６〜９は、逃げ面摩耗幅の平均値が０．５４ｍｍ以上であり、特に耐摩耗性が低いことが分かる。
一方、発明品ではチッピングが見られず、逃げ面摩耗幅の平均値は０．２０ｍｍ以下であることから、本発明の被覆切削工具は耐チッピング性および耐摩耗性に優れることが分かる。
本発明の被覆切削工具を切削加工に用いると、当該工具を取り付けた切削装置において、チッピングや摩耗による工具刃先位置の後退が抑制される。そのため本発明によれば、被削材の加工寸法の変化と、それを抑制するために従来頻繁に行われていた工具刃先位置の補正作業の回数を低減することができ、加工生産性の向上につながる。
Claims (14)
- 超硬合金基材と、該基材の表面に化学蒸着法によって形成された被膜とを備える被覆切削工具であって、
前記被膜の平均膜厚は３〜２０μｍであり、該被膜は、前記基材の表面に形成された平均膜厚２〜１５μｍの下部膜と、該下部膜の前記基材と接する面とは反対側の表面に形成された平均膜厚１〜１０μｍの上部膜とから構成され、
前記下部膜は、平均膜厚１０〜３００ｎｍのＴｉＮ膜と平均膜厚０．１〜０．５μｍのＴｉＣＮ膜とを交互に積層した交互積層膜を有し、
前記上部膜は酸化アルミニウム膜を有する被覆切削工具。 - 前記上部膜が、Ｔｉの炭化物、Ｔｉの炭酸化物、Ｔｉの炭窒酸化物、ＴｉとＡｌとを含む炭酸化物及びＴｉとＡｌとを含む炭窒酸化物からなる群より選ばれる少なくとも１種の金属化合物からなる中間膜を備え、
該中間膜が前記下部膜に接している請求項１に記載の被覆切削工具。 - 前記交互積層膜の硬度が２８ＧＰａ〜４０ＧＰａである請求項１または２に記載の被覆切削工具。
- 前記交互積層膜中のＴｉＣＮ膜のＸ線回折測定のｓｉｎ２Ψ法により測定した引張残留応力が４００ＭＰａ以下である請求項１〜３のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
- 前記酸化アルミニウム膜がα型酸化アルミニウム膜である請求項１〜４のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
- 前記被覆切削工具において、前記上部膜の前記下部膜と接する面と反対側の表面の算術平均粗さＲａが、０．０３〜０．３μｍ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。
- 前記被膜の平均膜厚が３．５〜１８μｍである請求項１〜６のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
- 前記下部膜の平均膜厚が２〜１３μｍ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。
- 前記交互積層膜中のＴｉＮ膜の平均膜厚が１０〜２５０ｎｍである請求項１〜８のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
- 前記交互積層膜中のＴｉＣＮ膜の平均膜厚が０．１５〜０．４μｍである請求項１〜９のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
- 前記交互積層膜の平均膜厚が２〜１５μｍである請求項１〜１０のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
- 前記交互積層膜におけるＴｉＮ膜及びＴｉＣＮ膜の積層数が４〜１２０層である請求項１〜１１のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
- 前記中間膜の平均膜厚が０．１〜２μｍである請求項２に記載の被覆切削工具。
- 前記中間膜が、ＴｉＣ、ＴｉＣＯ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＡｌＣＯ又はＴｉＡｌＣＮＯからなる膜である請求項２又は１３に記載の被覆切削工具。
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