JP5713663B2

JP5713663B2 - 切削工具

Info

Publication number: JP5713663B2
Application number: JP2010289000A
Authority: JP
Inventors: 佳輝坂本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2010-12-25
Filing date: 2010-12-25
Publication date: 2015-05-07
Anticipated expiration: 2030-12-25
Also published as: JP2012135826A

Description

本発明は基体の表面に被覆層が成膜されている切削工具に関する。

現在、切削工具や耐摩部材、摺動部材といった耐摩耗性や摺動性、耐欠損性を必要とする部材では、超硬合金やサーメット等の焼結合金、ダイヤモンドやｃＢＮ（立方晶窒化硼素）の高硬度焼結体、アルミナや窒化珪素等のセラミックスからなる基体の表面に被覆層を成膜して、耐摩耗性、摺動性、耐欠損性、を向上させる手法が使われている。

また、上記物理蒸着法としてアークイオンプレーティング法やスパッタリング法を用いてＴｉやＡｌを主成分とする窒化物層が盛んに研究されており、工具寿命を延命させるための改良が続けられている。これら表面被覆工具は、切削速度の高速化を初めとする切削環境の変化、被削材の多様化に対応するため、被覆材料元素以外にも様々な工夫が施されてきている。

例えば、特許文献１では、基体の表面にＴｉＡｌＮ等の被膜を被覆した表面被覆工具において、Ｔｉの比率をすくい面よりも逃げ面において高くして、すくい面における溶着や摩耗の進行を抑制できるとともに、逃げ面における境界損傷を抑制させることが記載されている。

さらに、特許文献２では、基材表面に（ＴｉＮｂＡｌ）Ｎ等の組成からなる皮膜を形成して、耐摩耗性を向上させることが開示され、特許文献３では、（ＴｉＡｌＮｂＳｉ）Ｎ等の組成を持ち、成膜方式を変えることによって、ＳｉおよびＮｂ含有量の異なる層を多層に積層した硬質皮膜が記載されている。

特開２００８−２６４９７５号公報特開平１１−３０２８３１号公報特開２００５−１９９４２０号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたすくい面よりも逃げ面においてＴｉの比率を高くした構成でも、すくい面における被覆層の耐熱性と耐酸化性が不十分であり、かつ逃げ面においては耐欠損性が不十分であった。

また、特許文献２や特許文献３のように、ＴｉＡｌＮに第３の金属としてＮｂを含有させた組成においても、耐摩耗性は向上するものの更なる改善が必要であり、特に、被削材の溶着等によってチッピングや欠損または温度上昇による摩耗が急速に進行する場合があり、更なる耐摩耗性の向上が望まれていた。

本発明は前記課題を解決するためのものであり、その目的は、局所的に最適な切削性能を発揮できる被覆層を備えた切削工具を提供することにある。

本発明の切削工具は、すくい面と逃げ面との交差稜線に切刃を有して、基体の表面にＴ
ｉ_ａＡｌ_ｂＮｂ_ｄＭ_ｅ（Ｃ_１−ｘＮ_ｘ）（ただし、ＭはＳｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｃｒ、ＺｒおよびＹから選ばれる少なくとも１種、０．３≦ａ≦０．８、０≦ｂ≦０．６、０．０１≦ｄ≦０．２５、０≦ｅ≦０．２５、ａ＋ｂ＋ｄ＋ｅ＝１、０≦ｘ≦１）からなる被覆層を被覆し、前記すくい面における前記被覆層中のＮｂの含有比率が前記逃げ面における前記被覆層中のＮｂの含有比率よりも少ないものである。

ここで、前記すくい面における前記被覆層中のＮｂの含有比率Ｎｂ_ｒと前記逃げ面における前記被覆層中のＮｂの含有比率Ｎｂ_ｆとの比（Ｎｂ_ｒ／Ｎｂ_ｆ）が０．７０〜０．９０であってもよい。

本発明の切削工具によれば、すくい面のほうが逃げ面に比べてＮｂの含有比率が低いので、ドライ加工においてすくい面における溶着を防止できて切屑排出性が高くなる。また、逃げ面のほうがすくい面に比べてＮｂの含有比率が高いので、逃げ面における被覆層の硬度が向上して、高硬度の被削材の加工やドライ加工における逃げ面での境界摩耗およびそれに起因する欠損を抑制できる。

本発明の切削工具の一例を示し、（ａ）概略斜視図、（ｂ）（ａ）のＸ−Ｘ断面図である。

本発明の切削工具についての好適な実施態様例である図１（（ａ）概略斜視図、（ｂ）（ａ）のＸ−Ｘ断面図）を用いて説明する。

図１によれば、切削工具１は、主面にすくい面３を、側面に逃げ面４を、すくい面３と逃げ面４との交差稜線に切刃５を有し、基体２の表面に被覆層６を成膜した構成となっている。

そして、基体２の表面に、Ｔｉ_ａＡｌ_ｂＮｂ_ｄＭ_ｅ（Ｃ_１−ｘＮ_ｘ）（ただし、ＭはＳｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｃｒ、ＺｒおよびＹから選ばれる少なくとも１種、０．２５≦ａ≦０．８、０≦ｂ≦０．６、０．０１≦ｄ≦０．３、０≦ｅ≦０．２５、ａ＋ｂ＋ｄ＋ｅ＝１、０≦ｘ≦１）からなる被覆層６を被覆し、かつ、すくい面３における被覆層６のＮｂ含有量が逃げ面４における被覆層６のＮｂ含有量よりも少ない構成となっている。この構成により、ドライ加工においてすくい面３における溶着を防止できて切屑排出性が高くなる。また、逃げ面４における被覆層６の硬度が向上して、高硬度の被削材の加工やドライ加工における逃げ面４での境界摩耗およびそれに起因する欠損を抑制できる。すくい面３における被覆層６中のＮｂの含有比率Ｎｂ_ｒと逃げ面４における被覆層６中のＮｂの含有比率Ｎｂ_ｆとの比（Ｎｂ_ｒ／Ｎｂ_ｆ）が０．７０〜０．９０であることが逃げ面における境界摩耗の進行を抑制する点で望ましい。

なお、被覆層６を上記組成範囲とすることによって、被覆層６は酸化開始温度が高くなって耐酸化性が高くかつ内在する内部応力を低減することができて耐欠損性が高い。しかも、被覆層６は硬度および基体２との密着性も高いものであるので、被覆層６は高硬度の被削材の加工や、乾式切削、高速切削等のきつい切削条件における耐摩耗性および耐欠損性に優れたものとなる。

すなわち、被覆層６において、ａ（Ｔｉ組成比率）が０．２５より小さいと、被覆層６の結晶構造が立法晶から六法晶へ変化し硬度が低下するため、耐摩耗性が低下する。ａ（Ｔｉ組成比率）が０．８より大きいと、被覆層６の耐酸化性および耐熱性が低下する。ａ
の特に望ましい範囲は０．４５≦ａ≦０．５である。また、ｂ（Ａｌ組成比）が０．６よりも大きいと被覆層６の結晶構造が立方晶から六方晶に変化する傾向があり硬度が低下する。ｂの特に望ましい範囲は０．４８≦ｂ≦０．５２である。また、ｄ（金属Ｎｂ組成比率)が０．０１よりも小さいと被覆層６の耐酸化性が低下して耐摩耗性が低下する。ｄ（
金属Ｎｂ組成比率)が０．３よりも大きいと被覆層６の耐酸化性又は硬度が低下による耐
摩耗性が低下する。ｄの特に望ましい範囲は０．０４≦ｄ≦０．１５である。さらに、ｅ（金属Ｍ組成比率)が０．２５よりも大きいと被覆層６の耐酸化性又は硬度の低下による
耐摩耗性が低下する。ｄの特に望ましい範囲は０．０３≦ｄ≦０．２２である。

なお、金属ＭはＳｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｃｒ、ＺｒおよびＹから選ばれる少なくとも１種であるが、中でもＳｉ又はＷを含有することが硬度に優れる点から望ましく、ＮｂまたはＭｏを含有することが耐摩耗性・耐酸化性に最も優れる点から望ましい。

また、被覆層６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、ｘ（Ｎ組成比率）の特に望ましい範囲は０．９≦ｘ≦１である。ここで、本発明によれば、上記被覆層６の組成は、エネルギー分散型Ｘ線分光分析法（ＥＤＸ）またはＸ線光電子分光分析法（ＸＰＳ）にて測定できる。

表面被覆層６の成膜方法としては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）法が適応可能であり、特に、耐熱性の高い被覆層を形成するためにアークイオンプレーティング法が好適に用いられる。

なお、基体２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硬質合金、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ス、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）、金属アルミニウム（Ａｌ）、金属ニオブ（Ｎｂ）、および所定の金属Ｍ（ただし、ＭはＳｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｃｒ、ＺｒおよびＹから選ばれる少なくとも１種）をそれぞれ独立に含有する金属ターゲット、複合化した合金ターゲットまたは焼結体ターゲットを用い、チャンバの側壁面位置にセットする。
このとき、本発明によれば、メインターゲットをチャンバの側面にセットし、かつ他の金属に比べてＮｂの含有比率が多いターゲットをチャンバの上面に、他の金属の含有比率が高いターゲットをチャンバの側面にセットし、各々のターゲットにアーク電流を流して成膜する。その結果、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。

成膜条件としては、これら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およびドロップレットを成膜する。このとき、基体のセット位置はすくい面がチャンバの側面とほぼ平行に、かつ逃げ面がチャンバの上面とほぼ平行な向きにセットする。この時、メインターゲットには１００〜２００Ａ、上面のＮｂ成分
を多く含有するサブターゲットには８０〜２００Ａのアーク電流を流す。

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３５〜２００Ｖのバイアス電圧を印加することが好ましい。

平均粒径０．８μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末を主成分として、平均粒径１．２μｍの金属コバルト（Ｃｏ）粉末を１０質量％、平均粒径１．０μｍの炭化バナジウム（ＶＣ）粉末を０．１質量％、平均粒径１．０μｍの炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）粉末を０．３質量％の割合で添加し混合して、プレス成形によりスローアウェイチップ形状に成形した後、脱バインダ処理を施し、０．０１Ｐａの真空中、１４５０℃で１時間焼成して超硬合金を作製した。また、各試料のすくい面表面をブラスト加工、ブラシ加工等によって研磨加工した。さらに、作製した超硬合金にブラシ加工にて刃先処理（ホーニング）を施した。

このようにして作製した基体に対して、表１に示すバイアス電圧を印加し、メインターゲット、上面のサブターゲットに対して所定のアーク電流をそれぞれ流しながら、成膜温度５４０℃として表１に示す組成の被覆層を成膜した。

得られた試料に対して、被覆層の表面のすくい面および逃げ面の各面の任意３箇所を観察し、１視野のうちの１０μｍ×１０μｍの任意領域における組成をエネルギー分散分光分析（ＥＤＳ）（アメテック社製ＥＤＡＸ）によって測定し、これらの平均値を被覆層のすくい面、逃げ面の組成として算出した。結果は表１に示した。

次に、得られた切削工具BDMT11T308ER-JT形状のスローアウェイチップを用いて以下の
切削条件にて切削試験を行った。結果は表２に示した。
切削方法：外径旋削加工
被削材：ＳＫＤ１１（サイズ：１１０ｍｍ×１７０ｍｍ×２６０ｍｍ〕
切削速度：１２０ｍ／分
送り：０．１２ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み（縦）：２．０ｍｍ
切り込み（横）：１２．５ｍｍ
切削状態：乾式切削
評価方法：工具寿命まで加工できた加工数を確認し、そのときの切刃の状態を確認した。

表１、２に示す結果より、すくい面のＮｂの含有比率が逃げ面のＮｂの含有比率よりも多い試料Ｎｏ．８、および同じ試料Ｎｏ．９では、逃げ面での境界摩耗が早期に進行して早期に欠損工至った。また、切刃にはすくい面における溶着も多かった。

これに対して、本発明の範囲内である試料Ｎｏ．１〜７では、加工数が多くて良好な切削性能を発揮した。

１切削工具
２基体
３すくい面
４逃げ面
５切刃
６被覆層

Claims

すくい面と逃げ面との交差稜線に切刃を有して、基体の表面にＴｉ_ａＡｌ_ｂＮｂ_ｄＭ_ｅ（Ｃ_１−ｘＮ_ｘ）（ただし、ＭはＳｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｃｒ、ＺｒおよびＹから選ばれる少なくとも１種、０．２５≦ａ≦０．８、０≦ｂ≦０．６、０．０３≦ｄ≦０．３、０≦ｅ≦０．２５、ａ＋ｂ＋ｄ＋ｅ＝１、０≦ｘ≦１）からなる被覆層を被覆し、前記すくい面における前記被覆層中のＮｂの含有比率Ｎｂ _ｒと前記逃げ面における前記被覆層中のＮｂの含有比率Ｎｂ _ｆとの比（Ｎｂ _ｒ／Ｎｂ _ｆ）が０．６２〜０．９３である切削工具。
前記すくい面における前記被覆層中のＮｂの含有比率Ｎｂ_ｒと前記逃げ面における前記被覆層中のＮｂの含有比率Ｎｂ_ｆとの比（Ｎｂ_ｒ／Ｎｂ_ｆ）が０．７０〜０．９０である請求項1記載の切削工具。