JP6311353B2 - 超硬工具およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、超硬工具およびその製造方法に関し、より詳しくは、車輪および車軸製品の加工、高合金油井管のビレット加工、ネジの切削加工、高合金特殊管の切削加工等に用いられる超硬工具およびその製造方法に関する。

従来、超硬工具およびその製造方法に関するものとして、例えば、特許文献１および２に開示されたものが存在している。

特開２００３−０２５１１４号公報（特許文献１）には、タングステンカーバイドを主成分とする基材と、この基材上に形成される保護膜とを備える酸化アルミニウム被覆工具が開示されている。この保護膜は、ＴｉＮとＴｉＣＮとＴｉＡｌＣＯとからなる下層膜と、下層膜上に形成される酸化アルミニウム被膜と、酸化アルミニウム被膜上に形成されるＴｉＮ層とを有する。この酸化アルミニウム被膜は、ＣＶＤ法により形成される。

特開２００３−０２５１１４号公報 特開２００７−２６０８０６号公報

特許文献１および２のように、Ａｌ_２Ｏ_３などの金属酸化膜は、高硬度、高潤滑性、および耐摩耗性に優れる。このため、Ａｌ_２Ｏ_３などの金属酸化膜を備える超硬工具は、工具寿命が長い。しかしながら、この金属酸化膜は、高絶縁性であるため、 高電導性の成膜源を用いるＤＣスパッタ法やアークイオンプレーティング法といった物理蒸着法(ＰＶＤ法)を適用しにくいという問題がある。

また、高周波電源を印加させるＲＦスパッタ法でもＡｌ_２Ｏ_３などの金属酸化膜を形成することができる。しかしながら、ＲＦスパッタ法でＡｌ_２Ｏ_３などの金属酸化膜を形成すると、成膜に長時間を要する。このため、数μmの厚さを有する超硬工具の成膜法として、ＲＦスパッタ法は切削工具の量産に適さない。

さらに、化学蒸着法(ＣＶＤ法)によりＡｌ_２Ｏ_３などの金属酸化膜を形成することもできる。しかしながら、化学蒸着法で形成する場合、約１，０００℃に至る高温の環境が必要となる。このため、基材に与える機械的ストレスや熱収縮による積層界面の不整合が危惧される。

本発明の目的は、工具寿命を短くすることなく、容易に製造可能な超硬工具およびその製造方法を提供することである。

本発明の一実施形態による超硬工具の製造方法は、超硬合金からなる基材上に、金属窒化物、金属炭化物、および金属炭窒化物からなる群から選択される１種からなる下地膜を形成する工程と、下地膜上に、Ａｌ、Ｔｉ、およびＺｒからなる群から選択される１種からなる金属膜を形成する工程と、超硬工具の使用中に、大気中かつ高温で金属膜を酸化させて金属酸化膜を生成する工程と、を備える。

この実施の形態によれば、工具寿命を短くすることなく、超硬工具を容易に製造することができる。

本発明の一実施形態による超硬工具は、超硬合金で形成される基材と、基材上に形成され、金属窒化物、金属炭化物、金属炭窒化物からなる群から選択される１種からなる下地膜と、下地膜上に形成され、Ａｌ、Ｔｉ、およびＺｒからなる群から選択される１種または２種からなる金属膜と、を備える。

この実施の形態による超硬工具が大気中かつ高温で使用されると、金属膜は酸化され、金属酸化膜が生成される。その結果、工具寿命を短くすることなく、超硬工具を容易に製造することができる。

本発明によれば、工具寿命を短くすることなく、容易に製造可能な超硬工具およびその製造方法を提供することができる。

本発明の実施の形態による超硬工具の構成を示す断面図である。 図１に示される超硬工具を製造するためのアークイオンプレーティング装置を示す概略図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態を詳しく説明する。図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。なお、説明を分かりやすくするために、以下で参照する図面においては、構成が簡略化または模式化して示されたり、一部の構成部材が省略されたりしている。また、各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。

図１を参照して、超硬工具１は、基材２と、下地膜３１と、金属膜３２とを備える。

基材２は、超硬合金からなる。より具体的には、基材２は、タングステンカーバイド（ＷＣ）を主成分とし、コバルト（Ｃｏ）を焼結助剤として添加した超硬合金からなる。また、使用目的に応じて、超硬工具の材料特性を向上させるため、炭化チタン（ＴｉＣ）や炭化タンタル（ＴａＣ）などが添加される。

基材２のビッカース硬度は、荷重１ｋｇｆで１，８００〜２，０００であるものが好ましい。また、基材２の表面粗さは、０．５０以下のものが好ましい。

下地膜３１および金属膜３２は、物理蒸着法により形成される。本発明の実施形態では、物理蒸着法として、ＤＣスパッタ法またはアークイオンプレーティング法（ＡＩＰ法）が適している。

下地膜３１は、基材２上に形成される。下地膜３１は、金属窒化物、金属炭化物、金属炭窒化物からなる群から選択される１種からなる。より具体的には、金属窒化物としては、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＡｌＣｒＮ、ＴｉＡｌＣｒＳｉＮからなる群から選択される１種からなる。金属炭化物としては、ＴｉＣ、ＳｉＣからなる群から選択される１種からなる。金属炭窒化物としては、ＴｉＣＮからなる。

下地膜３１は、好ましくは、２．０〜４．０μｍの厚さを有する。下地膜３１の厚さが４．０μｍよりも厚くなると、過度の剪断応力が工具表面に負荷された場合、超硬基材界面における密着力が強度限界を超え、下地膜３１が剥離する。また、下地膜３１の厚さが２．０μｍよりも薄くなると、切削工具等に供した場合、不可避の摩耗進行に伴い、工具寿命が十分に担保され難くなる。下地膜３１の厚さの上限は、好ましくは３．７μｍ、さらに好ましくは３．５μｍである。下地膜３１の厚さの下限は、好ましくは２．５μｍ、さらに好ましくは３．０μｍである。

金属膜３２は、下地膜３１上に形成される。下地膜３１上に金属膜３２を形成することによって、下地膜３１と金属膜３２との界面に共有結合が生じやすくなる。このため、後述する超硬工具１を切削工具あるいは摺動工具部品として使用したとき、金属膜３２が下地膜３１から剥がれにくくなる。金属膜３２は、Ａｌ、Ｔｉ、およびＺｒからなる群から選択される１種からなる。

金属膜３２は、好ましくは、０．５〜１．５μｍの厚さを有する。金属膜３２の厚さが２．０μｍよりも厚くなると、後述する超硬工具１を切削工具あるいは摺動工具として使用したときに、金属膜３２の酸化が膜全体に及ばず、十分な高硬度が担保できない。また、金属膜３２の厚さが０．５μｍよりも薄くなると、後述する超硬工具１を切削工具あるいは摺動工具として使用したときに、金属膜３２が酸化される前に下地膜３１から剥がれやすくなる。金属膜３２の厚さの上限は、好ましくは１．５μｍ、さらに好ましくは１．０μｍである。金属膜３２の厚さの下限は、好ましくは０．５μｍ、さらに好ましくは０．８μｍである。

［製造方法］
以下、超硬工具１の製造方法の一例を説明する。

基材２として、タングステンカーバイド(ＷＣ)を主成分とし、コバルト(Ｃｏ)を焼結助剤として添加した超硬合金を準備する。

下地膜３１および金属膜３２は、図２に示すアークイオンプレーティング装置４により形成される。アークイオンプレーティング法は、真空中において、複数の成膜源（ターゲット）をカソード（陰極）とし、カソードとアノード（陽極）との間で真空アーク放電を発生させ、各ターゲット表面から金属材料を蒸発、イオン化させ、負のバイアス電圧を印加した基材２上に金属イオンを堆積させることにより、薄膜を形成する方法である。

図２に示すように、アークイオンプレーティング装置４は、成膜炉４０１と、バイアス電源４０２と、アーク電源４０３ａ〜４０３ｃと、アース４０４ａ〜４０４ｄと、を備える。

成膜炉４０１は、複数の成膜源４１１〜４１３と、窒素ガスを流入させる流入口４４１と、炉内の窒素ガスを排気させる排気口４４２と、を含む。流入口４４１から流入される窒素ガスは、流量４．０Ｐａで一定である。

基材２は、成膜炉４０１内に設置され、バイアス電源４０２と電気的に接続される。また、バイアス電源４０２は、アース４０４ｄと電気的に接続される。

複数の成膜源は、例えば、Ａｌからなる成膜源４１１と、Ｔｉからなる成膜源４１２と、Ｚｒからなる成膜源４１３と、を含む。

成膜源４１１は、アーク電源４０３ａと電気的に接続される。また、成膜炉４０１およびアーク電源４０３ａは、アース４０４ａと電気的に接続される。

成膜源４１２は、アーク電源４０３ｂと電気的に接続される。また、成膜炉４０１およびアーク電源４０３ｂは、アース４０４ｂと電気的に接続される。

成膜源４１３は、アーク電源４０３ｃと電気的に接続される。また、成膜炉４０１およびアーク電源４０３ｃは、アース４０４ｃと電気的に接続される。

まず、基材２上に下地膜３１を形成する。具体的には、以下のような工程による。

成膜炉４０１内を真空にする。次に、成膜源４１１をカソード、成膜炉４０１をアノードとし、アーク電源４０３ａおよび４０３ｂにより、成膜源４１１および４１２と成膜炉４０１との間に真空アーク放電を発生させる。このとき、成膜源４１１および４１２の表面は励起される。すなわち、励起された成膜源４１１および４１２の表面から金属材料（例えば、ＡｌおよびＴｉ）が蒸発し、イオン化される。

イオン化された金属材料は、負のバイアス電圧を印加された基材２上に堆積する。このとき、成膜源４１１および４１２から励起された金属イオン（例えば、ＡｌイオンおよびＴｉイオン）と流入口４４１から成膜炉４０１内に導入された窒素ガスとが共有結合する。これにより、基材２上に金属窒化膜（例えば、ＴｉＡｌＮ）が形成される。

次に、下地膜３１上に金属膜３２を形成する。具体的には、以下のような工程による。

成膜炉４０１内を真空にする。次に、成膜源４１１をカソード、成膜炉４０１をアノードとし、アーク電源４０３ａにより、成膜源４１１と成膜炉４０１との間に真空アーク放電を発生させる。このとき、成膜源４１１の表面は励起される。すなわち、励起された成膜源４１１の表面から金属材料（例えば、Ａｌ）が蒸発し、イオン化される。イオン化された金属材料は、負のバイアス電圧を印加された下地膜３１上に堆積する。これにより、室温で下地膜３１上に金属膜３２（例えば、Ａｌ）が形成される。

以上により、超硬工具１の製造が完了する。

次に、超硬工具１を大気中で切削工具あるいは摺動工具として使用する。より具体的には、超硬工具１を大気中で使用すると、切削時あるいは摺動時の発熱により、下地膜３１および金属膜３２は４５０〜８００℃以上の高温に達する。このとき、金属膜３２は酸化される。その結果、表層に金属酸化膜（例えば、Ａｌ_２Ｏ_３）が生成される。

以下、本発明の実施形態による超硬工具１の効果を説明する。

Ａｌ、Ｔｉ、およびＺｒは、標準電極電位が比較的小さいため、酸化されやすい。特に、Ａｌは、金属自己拡散係数が高く、大気中における酸素の内向拡散性との相乗効果を奏するため、Ａｌ_２Ｏ_３を形成しやすい。さらに、Ａｌ、Ｔｉ、およびＺｒは、導電性が高く、物理蒸着法による装置内の金属ターゲットに使用しやすい。

このため、下地膜３１上に、Ａｌ、Ｔｉ、およびＺｒからなる群から選択される１種からなる金属膜３２を形成した後に、大気中かつ高温で金属膜３２を酸化させることにより、金属酸化膜（Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２）を生成させることができる。この金属酸化膜は、高硬度、高潤滑性、および耐摩耗性に優れる。しかも、この超硬工具１は、金属膜３２を物理蒸着法により形成できるため、容易に製造することができる。また、成膜に化学蒸着法を用いる必要がないため、基材に与える機械的ストレスや熱収縮による積層界面の不整合を低減することができる。

［その他の実施形態］
上記実施形態による超硬工具１では、基材２上に下地膜３１を形成したが、この実施形態に限らず、基材２に最下層膜を形成し、その最下層膜上に下地膜３１を形成してもよい。最下層膜は、好ましくは、金属窒化物、金属炭化物、および金属炭窒化物からなる群から選択される１種からなる。

上記実施形態による超硬工具１では、下地膜３１上に、Ａｌ、Ｔｉ、およびＺｒからなる群から選択される１種からなる金属膜３２を形成したが、この実施形態に限らず、Ａｌ、Ｔｉ、およびＺｒからなる群から選択される２種からなる金属膜を形成してもよい。この金属膜としては、ＡｌＴｉ合金、ＡｌＺｒ合金、ＴｉＺｒ合金がある。このときに生成される金属酸化膜は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、およびＺｒＯ_２からなる群から選択される２種からなる。さらに、下地膜３１上に、Ａｌ、Ｔｉ、およびＺｒの３種からなる金属膜を形成してもよい。

以上、本発明についての実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態およびその変形例のみに限定されず、発明の範囲内で種々の変更が可能である。また、各実施形態およびその変形例は、適宜組み合わせて実施することが可能である。

表１に示す化学組成の超硬工具として、試料番号１〜１２のサンプルを作製した。試料番号１〜１２のサンプルに対し、下地膜および金属膜の機械的強度（ナノ硬度Ｈ、ナノヤング率Ｅ）および工具性能（切削抵抗、工具寿命）に関する評価試験を行った。

表１を参照して、試料番号１〜６は本発明の実施例であり、試料番号７〜１２は比較例である。

試料番号１〜１２のサンプルは、タングステンカーバイド(ＷＣ)を主成分とし、コバルト(Ｃｏ)を焼結助剤として添加した超硬合金からなる基材を用いた。この基材は、ビッカース硬度がＨｖ１．０表記で１，９６０であり、かつ、表面粗さがＲａ表記で０．３０である。

試料番号１〜１２のサンプルでは、アークイオンプレーティング法により、基材上に下地膜を形成した。さらに、試料番号１〜１０のサンプルでは、アークイオンプレーティング法により、下地膜上に金属膜を形成した。

下地膜および金属膜を形成した後、試料番号１〜１２の各々を切削工具として使用した。切削工具として使用したときに、金属膜が酸化されたことを走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による化学分析手法にて確認した。

［ナノ硬度およびナノヤング率の評価試験］
ナノインデンターを用いて、各試料番号のサンプルにおけるナノ硬度Ｈ（単位；ＧＰａ）およびナノヤング率Ｅ（単位；ＧＰａ）を評価した。より具体的には、三角錐の形状を有するダイアモンド製バーコビッチ型の圧子を使用し、連続剛性方式(周波数；４５Ｈｚ、振幅；２ｎｍ)により、圧子を下地膜および金属膜の深さ１．０μmまで押し込む形式とした。測定条件は、室温で、表層の表面から深さ０．５μｍの範囲とした。ナノ硬度の判定基準は、Ｈ≧３０ＧＰａを満たすこととした。ナノヤング率の判定基準は、Ｅ≧５００ＧＰａを満たすこととした。

［切削抵抗の評価試験］
下地膜および金属膜を形成した後、試料番号１〜１２の各々を切削工具として使用し、それぞれの切削抵抗を評価した。切削の際、被削鋼材として、Ｓ７０Ｃ規格相当のフルパーライト鋼材(Ｈｖ；２３０−２５０，寸法；径８０ｍｍ×長２５０ｍｍ)を用いた。切削条件は、周速；１００ｍ／分，送り；１．０ｍｍ/ｒ，切込量；１ｍｍ、切削長；２０ｍｍとした。この切削条件下で、３方向分力を測定し、合力を計算した。切削抵抗の判定基準は、切削抵抗(合力)≦３０００Ｎを満たすこととした。

［工具寿命の評価試験］
径３０ｍｍ×厚１０ｍｍの円形チップ超硬切削工具を使用し、試料番号１〜１２の工具寿命を評価した。切削を繰り返し、切削工具の表面に異常を確認した時点で、工具寿命を判定した。表１の工具寿命は、切削処理を行った回数を示す。工具寿命の判定基準は、工具寿命≧３０回を満たすこととした。

［試験結果］
表１に示すように、試料番号１および２のサンプルは、機械的強度および工具性能の判定基準を全て満たした。また、金属膜の表層にＡｌ_２Ｏ_３膜が生成されたことを化学分析手法によって確認できた。切削時の発熱により、金属膜の表層が酸化され、Ａｌ_２Ｏ_３膜が生成されたと考えられる。特に、試料番号１および２のサンプルでは、高硬度のＡｌ_２Ｏ_３膜が生成されたため、ナノ硬度およびナノヤング率の値が試料番号３〜６のサンプルよりも高くなった。

試料番号３および４のサンプルについても、機械的強度および工具性能の判定基準を全て満たした。また、金属膜の表層にＴｉＯ_２膜が生成されたことを化学分析手法によって確認できた。切削時の発熱により、金属膜の表層が酸化され、ＴｉＯ_２膜が生成されたと考えられる。

試料番号５および６のサンプルについても、機械的強度および工具性能の判定基準を全て満たした。また、金属膜の表層にＺｒＯ_２膜が生成されたことを化学分析手法によって確認できた。切削時の発熱により、金属膜の表層が酸化され、ＺｒＯ_２膜が生成されたと考えられる。

一方、試料番号７および８のサンプルでは、切削工具として使用すると、ＴｉＡｌＮ膜およびＣｒ_２Ｏ_３膜が不安定となってしまった。これは、Ｃｒの標準電極電位がＡｌ、Ｔｉ、およびＺｒの標準電極電位よりも大きいため、切削時の発熱により、Ｃｒ_２Ｏ_３が十分に生成されなかったことによると推測される。その結果、試料番号７および８のサンプルについては、いずれの評価試験も実施できなかった。

試料番号９および１０のサンプルでは、切削工具として使用したことにより、金属膜の表層にＭｇＯ膜が生成されたことを化学分析手法によって確認した。しかしながら、試料番号９および１０のサンプルは、ナノ硬度、切削抵抗、および工具寿命について判定基準を満たさなかった。特に、試料番号９および１０のサンプルは、本発明の実施例と比較して、切削抵抗が高く、工具寿命が短かった。このため、試料番号９および１０のＴｉＡｌＮ膜およびＭｇＯ膜は、基材から早期に剥がれてしまった。

試料番号１１のサンプルは、基材上にＴｉＡｌＮ膜を形成したが、ＴｉＡｌＮ膜上に金属膜を形成しなかった。すなわち、試料番号１１のサンプルは、１層のＴｉＡｌＮ膜を有するのみである。このため、試料番号１１のサンプルでは、金属酸化物を備える本発明の実施例と比較して、全ての試験結果が劣っていた。その結果、試料番号１１のサンプルを切削工具として使用すると、ＴｉＡｌＮ膜が早期に摩耗してしまった。

試料番号１２のサンプルは、基材上にＣｒＮ膜を形成したが、ＣｒＮ膜上に金属膜を形成しなかった。すなわち、試料番号１１のサンプルは、１層のＣｒＮ膜を有するのみである。このため、試料番号１１のサンプルでは、金属酸化物を備える本発明の実施例と比較して、工具寿命が短かった。その結果、試料番号１２のサンプルを切削工具として使用すると、ＣｒＮ膜が早期に摩耗してしまった。

本発明は、工具寿命を短くすることなく、容易に製造可能な超硬工具およびその製造方法として産業上の利用が可能である。

１：超硬工具
２：基材
３１：下地膜
３２：金属膜

Claims (2)

1. 超硬工具の製造方法であって、
   超硬合金からなる基材上に、金属窒化物、金属炭化物、および金属炭窒化物からなる群から選択される１種からなる厚さ２．０〜４．０μｍの下地膜を形成する工程と、
   前記下地膜上に、Ａｌ、Ｔｉ、およびＺｒからなる群から選択される１種または２種からなる厚さ０．５〜１．５μｍの金属膜を形成する工程と、
   前記超硬工具の使用中に、大気中かつ高温で前記金属膜を酸化させて金属酸化膜を生成する工程と、を備える、超硬工具の製造方法。
2. 請求項１に記載の超硬工具の製造方法であって、
   前記金属酸化膜は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、およびＺｒＯ_２からなる群から選択される１種または２種からなる、超硬工具の製造方法。

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