JP6385233B2 - 被覆切削工具 - Google Patents
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Description
更に、ミクロ組織を制御したAlCrSi系の窒化物又は炭窒化物も提案されている(特許文献4)。特許文献4によれば、相対的にSiに富むアモルファス相と相対的にSiに乏しい結晶相とからなるミクロ組織を有するAlCrSi系の窒化物は、皮膜硬度が向上して、耐酸化性も改善されている。この窒化物を適用することで、被覆切削工具の耐久性が向上することが示されている。
すなわち本発明は、基材に硬質皮膜を被覆した被覆切削工具であって、
前記被覆切削工具は、前記基材の上に、ナノビーム回折パターンでWCの結晶構造に指数付けされ、タングステン(W)およびクロム(Cr)を含む炭化物からなるA層と、
前記A層の上に、金属(半金属を含む)元素の総量に対しAlの含有比率(原子%)が50%以上、Crの含有比率(原子%)が20%以上、AlとCrの合計の含有比率(原子%)が85%以上、Siの含有比率(原子%)が4%〜15%である窒化物又は炭窒化物からなるB層と、を含み、
前記A層の膜厚は1〜10nmであり、前記B層はNaCl型の結晶構造である被覆切削工具である。
B層は、被覆切削工具として優れた耐摩耗性と耐熱性が発揮できる窒化物又は炭窒化物とする。より好ましくは窒化物である。そして、優れた耐熱性を確保するために、金属(半金属を含む)元素の総量に対し、Alの含有量比率(原子%)を50%以上とすることが重要である。Alは耐熱性を付与する元素であり、Alの含有比率が50%未満になるとB層の耐熱性が不十分となる。更には、B層のAlの含有比率(原子%)を55%以上とすることで耐熱性がより優れて好ましい。更には、Alの含有比率(原子%)を60%以上とすることが好ましい。一方、Alの含有量が多くなり過ぎるとZnS型の結晶構造が主体となり被覆切削工具の耐久性が低下する傾向にある。そのため、Alの含有比率(原子%)を68%以下とすることが好ましい。なお、本発明における半金属とはSi、Bである。
本発明においてB層は、耐熱性および耐摩耗性を高いレベルで両立させて耐久性を高めるために、AlとCrの合計の含有比率(原子%)を85%以上とする。更には、AlとCrの合計の含有比率(原子%)を90%以上とすることが好ましい。
B層は、X線回折においてZnS型の結晶構造に起因する回折強度が確認されないことが好ましい。しかし、NaCl型の結晶構造に起因する回折強度が最大強度を示すのであれば、一部にZnS型の結晶構造および非晶質相を含有してもよい。
また、後述するCrボンバード処理によって形成されるA層の直上にB層を被覆していることも、B層のミクロ組織がSi含有量が異なる結晶相を含む組織形態になることに影響していると考えられる。
B層の膜厚が薄くなり過ぎると優れた耐久性が十分に発揮されない場合がある。また、膜厚が厚くなり過ぎると皮膜剥離が発生する場合がある。B層の厚みは、例えば、0.5μm〜10μmの範囲から適当な値を選択すれば良い。B層の厚みは、より好ましくは1μm以上である。また、B層の厚みは、より好ましくは5μm以下である。
特に、残留圧縮応力が高い皮膜種である点で、Tiの含有比率(原子%)を50%以上、Siの含有比率(原子%)を1%〜30%含有する窒化物又は炭窒化物皮膜が好ましい。
基材の上にあるA層がWを含んだ炭化物とすれば基材である超硬合金との親和性が強くなり密着性が優れると考えられる。また、A層がCrを含むことで、A層の上にある微細組織であるB層がNaCl型の結晶構造を維持し易くなる。そして、A層の近傍にあるB層の結晶性がより高まり、基材とB層の密着性がより高まると考えられる。A層は、金属元素の総量に対してCrの含有比率(原子%)が10%以上25%以下であることが好ましい。
A層の膜厚は、薄くなり過ぎても厚くなり過ぎても、基材との密着性を向上させるのに好ましくない。よって、A層の膜厚は1nm〜10nmとする。A層の膜厚は2nm〜8nmであることが好ましい。
A層は、WおよびCr以外に皮膜成分および母材成分を含有しても良い。A層の実測定においては、基材側のCoや硬質皮膜側のAl、Si、Nが含まれ得るが、ナノビーム回折パターンからWCの結晶構造に指数付けされ、WおよびCrを含む炭化物とすることで本発明の効果は発揮される。
A層は、透過型電子顕微鏡観察による断面観察、組成分析、ナノビーム回折パターンより確認することができる。
Crボンバードの際に、基材に印加する負のバイアス電圧の絶対値が小さい場合、WおよびCrを含む炭化物が形成され難い。また、ターゲットへ投入する電流が低いとWおよびCrを含む炭化物が形成され難い。そのため、基材に印加する負のバイアス電圧は−1000V〜−700Vとすることが好ましい。また、ターゲットへ投入する電流は80A〜150Aとすることが好ましい。また、Crボンバード処理の時間が短いと、ナノビーム回折パターンからWCの結晶構造に指数付けされ、WとCrを含有する炭化物が形成され難くなり、B層の密着性が低下する傾向にある。一方、Crボンバード処理の時間が長すぎると、A層の膜厚が厚くなり過ぎて、B層の密着性が低下する傾向にある。そのため、Crボンバード処理は3分〜7分とすることが好ましい。
ボンバードはアルゴンガス、窒素ガス、水素ガス、炭化水素系ガス等を導入しながら実施してもよいが、炉内雰囲気を1.0×10−2Pa以下の真空下で実施することで基材表面が清浄化されるだけでなく、拡散層が形成され易くなり好ましい。
成膜には、アークイオンプレーティング方式の成膜装置を用いた。本装置は、複数のカソード(アーク蒸発源)、真空容器および基材回転機構を含む。
カソードは、ターゲット外周にコイル磁石を配備したカソードが1基(以下「C1」という。)、ターゲット背面および外周に永久磁石を配備し、ターゲットに垂直方向の磁束密度がターゲット中央付近で14mT以上の磁場を有したカソードが2基(以下「C2」、「C3」という。)搭載されている。
真空容器内は、内部を真空ポンプにより排気され、ガスは供給ポートより導入される。真空容器内に設置した各基材にはバイアス電源が接続され、独立して各基材に負のDCバイアス電圧を印加する。
基材回転機構は、プラネタリーとプラネタリー上のプレート状治具、プレート状治具上のパイプ状治具が取り付けられ、プラネタリーが毎分3回転の速さで回転し、プレート状治具、パイプ状治具は夫々自公転する。
物性評価および切削試験用に、基材として、組成がWC(bal.)−Co(8質量%)−Cr(0.5質量%)−VC(0.3質量%)、WC平均粒度0.6μm、硬度93.9HRA、からなる超硬合金製の2枚刃ボールエンドミル(日立ツール株式会社製)を準備した。
各基材をそれぞれ真空容器内のパイプ状冶具に固定し、真空容器内に設置したヒーターにより、基材温度500℃まで加熱、真空排気を行い、基材温度500℃、真空容器内の圧力を8×10−3Pa以下とした。
その後、真空容器内にArガスを導入し、0.67Paとした。その後、フィラメント電極に20Aの電流を供給、基材に−200Vのバイアス電圧を印加し、Arボンバードを4分間実施した。
その後、真空容器内の圧力が8×10−3Pa以下になるように真空排気した。続いて、基材にバイアス電圧を印加して、C1に150Aのアーク電流を供給してCrボンバード処理を実施した。
Crボンバード後、直ちにC1への電力供給を中断した。そして、真空容器内のガスを窒素に置き換え、真空容器内の圧力を4Pa、基材設定温度を550℃としC2に140Aの電力を供給し、基材に負のバイアス電圧を印加して硬質皮膜(B層)を約3μm被覆した。その後、略250℃以下に基材を冷却して真空容器から取り出した。なお、比較例4はCrボンバード処理を実施せず、Arボンバード処理の後に硬質皮膜(B層)を被覆した。表1に実施例1で使用したターゲット組成及び被覆条件を示す。
EDSスペクトル分析およびナノビーム回折パターンから、本発明例のA層はWCの結晶構造に指数付けされ、タングステン(W)とクロム(Cr)を含有する炭化物であることを確認した。本発明例と比較例1にはA層が約5nm形成されていた。比較例2、3は、金属Crが約5nm形成されていた。比較例4は、基材とB層の間に別層は形成されていない。各試料の物性評価の結果を表2に示す。
条件:湿式加工
工具:2枚刃超硬ボールエンドミル
型番:EPDB2010−6、ボール半径0.5mm、首下長さ6mm
切削方法:底面切削
被削材:HPM38(52HRC)
切り込み:軸方向、0.04mm、径方向、0.04mm
切削速度:78.5m/min
一刃送り量:0.0189mm/刃
切削油:水溶性エマルジョン加圧供給
切削距離:30m
評価方法:切削加工後、走査型電子顕微鏡を用いて倍率150倍で観察し、工具と被削材が擦過した幅を実測し、そのうちの擦過幅が最も大きかった部分を最大摩耗幅とした。
これに対して比較例1〜4は著しい皮膜剥離が発生して不安定な摩耗形態を示した。
比較例1は、本発明例と同じA層を形成しているが、B層のSiが少ないため皮膜破壊の起点となる結晶粒界が多く、逃げ面摩耗が増大して耐久性が低下した。
比較例2、3は、本発明例のようなA層は形成されておらず、金属Crが形成されていた。そのため、微細組織であるB層との密着性が不十分であり、耐久性が低下した。
比較例4は、B層の皮膜組織は微細であるが、A層を形成しておらず密着性が低下したため耐久性が低下した。
Claims (1)
- 基材に硬質皮膜を被覆した被覆切削工具であって、
前記被覆切削工具は、前記基材の上に、ナノビーム回折パターンでWCの結晶構造に指数付けされ、タングステン(W)およびクロム(Cr)を含む炭化物からなるA層と、
前記A層の上に、金属(半金属を含む)元素の総量に対しAlの含有比率(原子%)が50%以上、Crの含有比率(原子%)が20%以上、AlとCrの合計の含有比率(原子%)が85%以上、Siの含有比率(原子%)が4%〜15%である窒化物又は炭窒化物からなるB層と、を含み、
前記A層の膜厚は1〜10nmであり、前記B層はNaCl型の結晶構造である被覆切削工具。
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