JP5800571B2

JP5800571B2 - 切削工具

Info

Publication number: JP5800571B2
Application number: JP2011112632A
Authority: JP
Inventors: 佳輝坂本; 真宏脇; ヨウセンシュ
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2011-05-19
Filing date: 2011-05-19
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2031-05-19
Also published as: JP2012240161A

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、Ｔｉ（Ｃ）Ｎ皮膜層とＴｉＡｌ（Ｃ）Ｎ皮膜層とが交互に隣接して４層以上形成された硬質皮膜構造が開示されている。また、特許文献２では、ＴｉＮｂＳｉＮからなるＡ層とＴｉＡｌＮからなるＢ層とがそれぞれ交互に積層された被覆層において、Ａ層とＢ層の周期を被覆層の厚み方向で変化させた皮膜構造が開示されている。さらに、特許文献３では、２種類のＴｉＭ（Ｃ）Ｎ薄層が交互に一定の周期で積層された被覆層において、下層における積層周期と上層における積層周期を変えた構成が開示されている。また、特許文献４では、ＴｉＮとＡｌＮとの繰り返し積層構造において、すくい面での積層周期と逃げ面での積層周期を全体的に変えた構成が記載されている。

特開平０６−１３６５１４号公報特開２０１０−０７６０８４号公報特開２０１０−０９９７６９号公報特開平０７−００３４３２号公報

しかしながら、特許文献１〜４のいずれの構成においても、すくい面および逃げ面と切刃とでは求められている性能に対して最適化されてはおらず、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と切刃と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、基体の表面に、Ｔｉ_ａＭ_１−ａ（Ｃ_１−ｘＮ_ｘ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族金属、Ａｌ、ＳｉおよびＹから選ばれる少なくとも１種、０．３≦ａ≦０．９、０≦ｘ≦１）からなるＡ層と、Ａｌ_ｂＭ’_１−ｂ（Ｃ_１−ｙＮ_ｙ）（ただし、Ｍ’は周期表第４、５、６族金属、ＳｉおよびＹから選ばれる少なくとも１種、ＴｉとＡｌの総量に対するＡｌの比が前記Ａ層よりも高い。０．４≦ｂ≦０．９、０≦ｙ≦１）からなるＢ層とを交互に繰り返し積層した被覆層を形成し、切刃における前記被覆層中の前記Ａ層と前記Ｂ層との厚みの比（ｔ_ｃＡ／ｔ_ｃＢ）が、すくい面における前記被覆層中の前記Ａ層と前記Ｂ層との厚みの比（ｔ_ｒＡ／ｔ_ｒＢ）よりも高い構成からなる。

ここで、前記すくい面における前記被覆層中の前記Ａ層と前記Ｂ層との厚みの比（ｔ_ｒＡ／ｔ_ｒＢ）が、逃げ面における前記被覆層中の前記Ａ層と前記Ｂ層との厚みの比（ｔ_ｆ
_Ａ／ｔ_ｆＢ）よりも低いものであってもよい。

また、前記切刃における前記被覆層の総厚みＴ_ｃが前記すくい面における前記被覆層の総厚みＴ_ｒよりも厚いものであってもよい。

本発明において、Ａ層（ＴｉＭ（Ｃ）Ｎ）はＢ層（ＡｌＭ’（Ｃ）Ｎ）よりも硬度は高くて耐摩耗性には優れるが、高温下で酸化しやすくて酸化すると耐摩耗性が悪化することが知られている。ところが、本発明のようにＡ層とＢ層との交互積層の構成とした場合には、切刃においてはＡ層の厚み比をＢ層の厚み比よりも大きくしても、耐酸化性はさほど落ちずにむしろ耐摩耗性が向上することがわかった。逆に、すくい面においては、Ｂ層の厚み比をＡ層の厚み比よりも大きくしたほうが、クレータ摩耗の進行を抑制できて耐摩耗性が向上した。その結果、切削工具全体として耐摩耗性に優れた切削工具となる。

本発明の切削工具の一例について、（ａ）概略斜視図、（ｂ）Ｘ−Ｘ断面断面図である。

本発明の切削工具の一例について、図１の（ａ）概略斜視図、（ｂ）Ｘ−Ｘ断面断面図を用いて説明する。

図１の切削工具１は、基体２の表面に、Ｔｉ_ａＭ_１−ａ（Ｃ_１−ｘＮ_ｘ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族金属、Ａｌ、ＳｉおよびＹから選ばれる少なくとも１種、０．３≦ａ≦０．９、０≦ｘ≦１、以下ＴｉＭＮと略すことがある。）からなるＡ層７と、Ａｌ_ｂＭ’_１−ｂ（Ｃ_１−ｙＮ_ｙ）（ただし、Ｍ’は周期表第４、５、６族金属、ＳｉおよびＹから選ばれる少なくとも１種、ＴｉとＡｌの総量に対するＡｌの比が前記Ａ層よりも高い。０．４≦ｂ≦０．９）、０≦ｙ≦１、以下ＡｌＭ’Ｎと略すことがある。）からなるＢ層８とを交互に繰り返し積層した被覆層６を形成するとともに、すくい面３と逃げ面４とその間に形成される切刃５を有する。そして、切刃５における被覆層６中のＡ層７とＢ層８との厚みの比（ｔ_ｃＡ／ｔ_ｃＢ）が、すくい面３における被覆層６中のＡ層７とＢ層８との厚みの比（ｔ_ｒＡ／ｔ_ｒＢ）よりも高い構成からなる。

この構成によって、切刃５においてはＡ層７（ＴｉＭＮ）の厚み比が高くなって単純摩耗の進行が抑制できるとともに、すくい面３においてはクレータ摩耗に対する耐摩耗性に優れたＢ層８（ＡｌＭ’Ｎ）が高い比で含有されることによって、すくい面４の耐摩耗性が向上する。その結果、切削工具１全体としての耐摩耗性を高めることができる。ここで、比（ｔ_ｃＡ／ｔ_ｃＢ）の望ましい範囲は１．２〜１．７５であり、比（ｔ_ｒＡ／ｔ_ｒＢ）の望ましい範囲は１．１５〜１．４５である。

また、上記構成において、すくい面３における被覆層６中のＡ層７とＢ層８との厚みの比（ｔ_ｒＡ／ｔ_ｒＢ）が、逃げ面４における被覆層６中のＡ層７とＢ層８との厚みの比（ｔ_ｆＡ／ｔ_ｆＢ）よりも低いことによって、すくい面３におけるクレータ摩耗を抑制できるとともに、逃げ面４におけるこすれ摩耗に対する耐摩耗性が高くて逃げ面の摩耗が抑制される。

また、上記構成において、切刃５における被覆層６の総膜厚Ｔ_ｃがすくい面３における被覆層６の総膜厚Ｔ_ｒよりも厚いことが、切刃５とすくい面３との摩耗量のバランスを最適化できるために望ましい。切刃５における被覆層６の総膜厚Ｔ_ｃとすくい面３における被覆層６の総膜厚Ｔ_ｒとの比Ｔ_ｃ／Ｔ_ｒの望ましい範囲は１．２〜２である。さらに、す
くい面３における被覆層６の総膜厚Ｔ_ｒが逃げ面４における被覆層６の総膜厚Ｔ_ｆよりも厚いことが、すくい面３と逃げ面４との摩耗量のバランスを最適化できるために望ましい。すくい面３における被覆層６の総膜厚Ｔ_ｒと逃げ面４における被覆層６の総膜厚Ｔ_ｆとの比Ｔ_ｒ／Ｔ_ｆの望ましい範囲は１．１〜１．５である。

ここで、Ａ層７であるＴｉ_ａＭ_１−ａ（Ｃ_１−ｘＮ_ｘ）組成において、ａが０．３より小さいと硬度特性が得られなくなり、逆にａが０．９より大きいと硬度低下が著しくなる。また、金属Ｍとしては、Ｔｉを除く周期表第４、５、６族金属、Ａｌ、ＳｉおよびＹから選ばれる少なくとも１種からなるが、中でも、Ａｌ、Ｎｂ、Ｓｉ、ＣｒおよびＷの１種以上を含有することが、被覆層６の耐酸化性を高める上で望ましい。Ａ層７のＴｉとＡｌの総量に対するＴｉの比がＢ層８よりも高い。

一方、Ｂ層８であるＡｌ_ｂＭ’_１−ｂ（Ｃ_１−ｙＮ_ｙ）組成において、ｂが０．４より小さいと耐酸化性が得られなくなり、逆にｂが０．９より大きいと結晶構造が変わって硬度低下を引き起こす。Ｂ層８のＴｉとＡｌの総量に対するＡｌの比がＡ層７よりも高い。

なお、被覆層６中の各元素の含有比は、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６中のＴｉ含有比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Ｋα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、その量から他の金属元素の含有比をそれぞれ算出する。また、本発明によれば、金属元素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。

さらに、被覆層６の非金属成分であるＣ、Ｎは切削工具１に必要な硬度および靭性に優れたものであり、被覆層６の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）の特に望ましい範囲は０．５≦ｘ≦１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）および金属Ｍ（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、Ａｌ、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、Ａ層を構成するターゲットＡとＢ層を構成するターゲットＢとをチャンバの側壁面に配置するとともに、Ａ層を構成するターゲットＡと被覆層を成膜する試料との最接近距離ｄ_Ａが、Ｂ層を構成するターゲットＢと被覆層を成膜する試料との最接近距離ｄ_Ｂよりも短くなるように近づける。これによって、ターゲットからイオン化された金属イオンが試料に到達するときに指向性が異なって成膜される被覆層の厚みムラが異なり、Ａ層は切刃に厚く成膜される厚みムラが大きくなり、Ｂ層は試料全体に比較的に均一に成膜されることとなる。その結果、切刃における被覆層中のＡ層とＢ層との厚みの比（ｔ_ｃＡ／ｔ_ｃＢ）が、すくい面における被覆層中のＡ層とＢ層との厚みの比（ｔ_ｒＡ／ｔ_ｒＢ）よりも大きい構成の被覆層が成膜される。

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側面とほぼ平行に、かつすくい面がチャンバの上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アーク電流を引加することによって特定の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。

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％、炭化チタン（ＴｉＣ）粉末を０．３質量％、炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）粉末を０．５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に示すアーク電流にて表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、バイアス電圧１００Ｖ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）および透過型電子顕微鏡を用いて組織観察を行い、被覆層を構成する結晶の性状や膜厚（Ｔ_ｒ、Ｔ_ｃ、Ｔ_ｆ、ｔ_ｒA、ｔ_ｃA、ｔ_ｆA、ｔ_ｒＢ、ｔ_ｃB、ｔ_ｆB）を確認した。同装置に付随のＥ
ＤＡＸ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被覆層の組成を算出した。結果は表２、３に示した。なお、膜厚の測定においては、Ａ層とＢ層との厚みがそれぞれ観察できる倍率で観察される一視野内の複数層のＡ層とＢ層の厚みをそれぞれ測定し、さらに観察視野を任意３視野以上の観察ポイントについて測定して、これを平均してそれぞれのｔ_ｒA、ｔ_ｃA、ｔ_ｆA、ｔ_ｒB、ｔ_ｃＢ、ｔ_ｆBを算出した。また、すくい面および逃げ面の膜厚Ｔ_ｒ、Ｔ_ｆは
切刃からの距離が１ｍｍの位置で測定し、切刃の膜厚Ｔ_ｃはコーナー部で最も被覆層の厚みが厚い部分の厚みとした。

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、切刃におけるＡ層とＢ層との厚みの比（ｔ_ｃＡ／ｔ_ｃＢ）が、すくい面におけるＡ層とＢ層との厚みの比（ｔ_ｒＡ／ｔ_ｒＢ）よりも低いか同じであった試料Ｎｏ．７〜８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、切刃におけるＡ層と前記Ｂ層との厚みの比（ｔ_ｃＡ／ｔ_ｃＢ）が、すくい面におけるＡ層とＢ層との厚みの比（ｔ_ｒＡ／ｔ_ｒＢ）よりも低い試料Ｎｏ．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。

１切削工具
２基体
３すくい面
４逃げ面
５切刃
６被覆層
７Ａ層
８Ｂ層

Claims

基体の表面に、Ｔｉ_ａＭ_１−ａ（Ｃ_１−ｘＮ_ｘ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族金属、Ａｌ、ＳｉおよびＹから選ばれる少なくとも１種、０．３≦ａ≦０．９、０≦ｘ≦１）からなるＡ層と、Ａｌ_ｂＭ’_１−ｂ（Ｃ_１−ｙＮ_ｙ）（ただし、Ｍ’は周期表第４、５、６族金属、ＳｉおよびＹから選ばれる少なくとも１種、ＴｉとＡｌの総量に対するＡｌの比が前記Ａ層よりも高い。０．４≦ｂ≦０．９、０≦ｙ≦１）からなるＢ層とを交互に繰り返し積層した被覆層を形成し、一視野内の複数層のＡ層とＢ層の厚みをそれぞれ測定して、任意３視野以上の観察ポイントについて平均したそれぞれの厚みについて、切刃における前記被覆層中の前記Ａ層と前記Ｂ層との厚みの比（ｔ_ｃＡ／ｔ_ｃＢ）が、すくい面における前記被覆層中の前記Ａ層と前記Ｂ層との厚みの比（ｔ_ｒＡ／ｔ_ｒＢ）よりも大きいとともに、前記切刃における前記被覆層の総厚みＴ_ｃが前記すくい面における前記被覆層の総厚みＴ_ｒよりも厚い切削工具。
前記すくい面における前記被覆層中の前記Ａ層と前記Ｂ層との厚みの比（ｔ_ｒＡ／ｔ_ｒＢ）が、逃げ面における前記被覆層中の前記Ａ層と前記Ｂ層との厚みの比（ｔ_ｆＡ／ｔ_ｆＢ）よりも小さい請求項１記載の切削工具。