JP6583763B1 - 表面被覆切削工具、及びその製造方法 - Google Patents
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-
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Abstract
Description
上記被膜は、上記基材上に設けられた第1交互層と、上記第1交互層上に設けられた第2交互層とを含み、
上記第1交互層は、A層とB層とを含み、
上記第2交互層は、C層とD層とを含み、
上記A層と上記B層とは、交互にそれぞれ1層以上積層され、
上記C層と上記D層とは、交互にそれぞれ1層以上積層され、
上記A層は、AlaCrbM1(1−a−b)の窒化物又は炭窒化物からなり、上記A層を構成する各金属原子の原子数比は、0.5≦a≦0.9、0<b≦0.4、及び0≦(1−a−b)≦0.1の関係を満たし、
上記B層は、AlcTidM2(1−c−d)の窒化物又は炭窒化物からなり、上記B層を構成する各金属原子の原子数比は、0.3≦c≦0.7、0.3≦d≦0.7、及び0≦(1−c−d)≦0.1の関係を満たし、
上記C層は、TieSifM3(1−e−f)の窒化物又は炭窒化物からなり、上記C層を構成する各金属原子の原子数比は、0.75≦e≦0.99、0.01≦f≦0.2、及び0≦(1−e−f)≦0.1の関係を満たし、
上記D層は、TigSihM4(1−g−h)の窒化物又は炭窒化物からなり、上記D層を構成する各金属原子の原子数比は、0.8≦g≦0.99、0.01≦h≦0.2、及び0≦(1−g−h)≦0.1の関係を満たし、
上記C層を構成するTiの原子数比e及び上記D層を構成するTiの原子数比gは、0.05≦|g−e|≦0.2の関係を満たし、
上記C層を構成するSiの原子数比f及び上記D層を構成するSiの原子数比hは、0.05≦|h−f|≦0.2の関係を満たし、
上記M1及び上記M2は、それぞれ独立してSi及びBからなる群より選択される1種以上の元素であり、
上記M3及び上記M4は、それぞれ独立してTa及びBからなる群より選択される1種以上の元素である。
上記基材を準備する工程と、
物理的蒸着法を用いて上記基材の上に上記A層と上記B層とを交互にそれぞれ1層以上積層することによって上記第1交互層を形成する工程と、
物理的蒸着法を用いて上記第1交互層の上に上記C層と上記D層とを交互にそれぞれ1層以上積層することによって上記第2交互層を形成する工程と、
を含む。
特開平07−310174号公報(特許文献1)には、耐摩耗性及び表面の保護機能の改善のため、WC基超硬合金、サーメット、高速度鋼等の切削工具及び耐摩耗工具等の硬質基材の表面に、硬質被覆層として、(AlxTi1−x−ySiy)(CzN1−z)(ただし、0.05≦x≦0.75、0.01≦y≦0.1、0.6≦z≦1)のようなAlTiSi系の膜が被覆されている切削工具が開示されている。
本開示によれば、優れた耐チッピング性と優れた耐摩耗性とを有する表面被覆切削工具を提供することが可能になる。
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
上記被膜は、上記基材上に設けられた第1交互層と、上記第1交互層上に設けられた第2交互層とを含み、
上記第1交互層は、A層とB層とを含み、
上記第2交互層は、C層とD層とを含み、
上記A層と上記B層とは、交互にそれぞれ1層以上積層され、
上記C層と上記D層とは、交互にそれぞれ1層以上積層され、
上記A層は、AlaCrbM1(1−a−b)の窒化物又は炭窒化物からなり、上記A層を構成する各金属原子の原子数比は、0.5≦a≦0.9、0<b≦0.4、及び0≦(1−a−b)≦0.1の関係を満たし、
上記B層は、AlcTidM2(1−c−d)の窒化物又は炭窒化物からなり、上記B層を構成する各金属原子の原子数比は、0.3≦c≦0.7、0.3≦d≦0.7、及び0≦(1−c−d)≦0.1の関係を満たし、
上記C層は、TieSifM3(1−e−f)の窒化物又は炭窒化物からなり、上記C層を構成する各金属原子の原子数比は、0.75≦e≦0.99、0.01≦f≦0.2、及び0≦(1−e−f)≦0.1の関係を満たし、
上記D層は、TigSihM4(1−g−h)の窒化物又は炭窒化物からなり、上記D層を構成する各金属原子の原子数比は、0.8≦g≦0.99、0.01≦h≦0.2、及び0≦(1−g−h)≦0.1の関係を満たし、
上記C層を構成するTiの原子数比e及び上記D層を構成するTiの原子数比gは、0.05≦|g−e|≦0.2の関係を満たし、
上記C層を構成するSiの原子数比f及び上記D層を構成するSiの原子数比hは、0.05≦|h−f|≦0.2の関係を満たし、
上記M1及び上記M2は、それぞれ独立してSi及びBからなる群より選択される1種以上の元素であり、
上記M3及び上記M4は、それぞれ独立してTa及びBからなる群より選択される1種以上の元素である。このような構成の表面被覆切削工具は、優れた耐チッピング性及び耐摩耗性を示すことができる。
上記中間層は、上記A層と上記C層との交互層、上記A層と上記D層との交互層、上記B層と上記C層との交互層、又は上記B層と上記D層との交互層である。これにより、より優れた耐チッピング性及び耐摩耗性を示すことができる。
上記第1交互層における上記B層は、その厚さλbが0.002μm以上2μm以下であり、
上記第1交互層における上記A層と上記第1交互層における上記B層との厚さの比λa/λbは、1≦λa/λb≦5の関係を満たす。これにより、被膜の耐酸化性を向上させ、かつ被膜を高硬度化することができる。
上記第2交互層における上記D層は、その厚さλdが0.001μm以上2μm以下であり、
上記第2交互層における上記C層と上記第2交互層における上記D層との厚さの比λc/λdは、1≦λc/λd≦5の関係を満たす。これにより、被膜におけるクラックの進展をより強く抑制することができる。
上記密着層は、その厚さが0.5nm以上20nm以下であり、
上記密着層は、Cr、Ti、Zr及びNbからなる群より選択される1種以上の第1元素と、上記基材を構成する元素から選択される1種以上の第2元素と、上記第1交互層又は上記第2交互層を構成する元素から選択される1種以上の第3元素とを含む炭化物、窒化物又は炭窒化物を含む。これにより、被膜と基材との密着性を向上させることができる。
上記結合相は、Coを含み、
上記密着層は、W、Cr、Ti、Al及びM5を含む炭化物、窒化物又は炭窒化物を含み、
上記M5は、W、Cr及びTiを除く周期表第4族元素、第5族元素、第6族元素、Si及びBからなる群より選択される1種以上の元素である。これにより、被膜と基材との密着性をより向上させることができる。
上記基材を準備する工程と、
物理的蒸着法を用いて上記基材の上に上記A層と上記B層とを交互にそれぞれ1層以上積層することによって上記第1交互層を形成する工程と、
物理的蒸着法を用いて上記第1交互層の上に上記C層と上記D層とを交互にそれぞれ1層以上積層することによって上記第2交互層を形成する工程と、
を含む。これにより、優れた耐チッピング性及び耐摩耗性を示す表面被覆切削工具を製造することができる。
以下、本発明の実施形態(以下「本実施形態」とも記す。)についてさらに詳細に説明する。以下の実施形態の説明では、図面を用いて説明しているが、その図面において同一の参照符号を付したものは、同一又は相当部分を示す。
基材と、上記基材の表面に設けられた被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
上記被膜は、上記基材上に設けられた第1交互層と、上記第1交互層上に設けられた第2交互層とを含み、
上記第1交互層は、A層とB層とを含み、
上記第2交互層は、C層とD層とを含み、
上記A層と上記B層とは、交互にそれぞれ1層以上積層され、
上記C層と上記D層とは、交互にそれぞれ1層以上積層され、
上記A層は、AlaCrbM1(1−a−b)の窒化物又は炭窒化物からなり、上記A層を構成する各金属原子の原子数比は、0.5≦a≦0.9、0<b≦0.4、及び0≦(1−a−b)≦0.1の関係を満たし、
上記B層は、AlcTidM2(1−c−d)の窒化物又は炭窒化物からなり、上記B層を構成する各金属原子の原子数比は、0.3≦c≦0.7、0.3≦d≦0.7、及び0≦(1−c−d)≦0.1の関係を満たし、
上記C層は、TieSifM3(1−e−f)の窒化物又は炭窒化物からなり、上記C層を構成する各金属原子の原子数比は、0.75≦e≦0.99、0.01≦f≦0.2、及び0≦(1−e−f)≦0.1の関係を満たし、
上記D層は、TigSihM4(1−g−h)の窒化物又は炭窒化物からなり、上記D層を構成する各金属原子の原子数比は、0.8≦g≦0.99、0.01≦h≦0.2、及び0≦(1−g−h)≦0.1の関係を満たし、
上記C層を構成するTiの原子数比e及び上記D層を構成するTiの原子数比gは、0.05≦|g−e|≦0.2の関係を満たし、
上記C層を構成するSiの原子数比f及び上記D層を構成するSiの原子数比hは、0.05≦|h−f|≦0.2の関係を満たし、
上記M1及び上記M2は、それぞれ独立してSi及びBからなる群より選択される1種以上の元素であり、
上記M3及び上記M4は、それぞれ独立してTa及びBからなる群より選択される1種以上の元素である。
本実施形態に係る表面被覆切削工具は、上述の構成を備えることにより、優れた耐チッピング性及び耐摩耗性を示す。そのため、上記表面被覆切削工具は、過酷な切削条件に耐え、優れた刃先品位を得ることができる。
本実施形態に係る表面被覆切削工具は、(以下、単に「切削工具」という場合がある。)基材と、上記基材の表面に設けられた被膜とを備える。このような基本的構成を有する表面被覆切削工具は、例えば、ドリル、エンドミル、ドリル用刃先交換型切削チップ、エンドミル用刃先交換型切削チップ、フライス加工用又は旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ、又はクランクシャフトのピンミーリング加工用チップ等が挙げられる。
基材は、この種の基材として従来公知のものであればいずれも使用することができる。例えば、超硬合金[例えば、炭化タングステン(WC)基超硬合金、WCの他にCo(コバルト)を含む超硬合金、WCの他にTi(チタン)、Ta(タンタル)、Nb(ニオブ)等の炭窒化物を添加した超硬合金等]、サーメット(炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタン等を主成分とするもの)、高速度鋼、セラミックス(炭化チタン、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム等)、立方晶型窒化ホウ素焼結体、及びダイヤモンド焼結体からなる群より選ばれる少なくとも1種を含むことが好ましい。基材としてWC基超硬合金を用いる場合、その組織中に遊離炭素及びη相と呼ばれる異常層のいずれか一方又は両方を含んでいてもよい。
本実施形態に係る被膜11は、図1に示すように上記基材12上に設けられた第1交互層112と、上記第1交互層112上に設けられた第2交互層113とを含む。ここで、上記第1交互層112は、上記基材12の表面に直接接して設けられていてもよいし、後述する密着層を介して上記基材12上に設けられていてもよい。また、上記第2交互層113は、上記第1交互層112の表面に直接接して設けられていてもよいし、後述する中間層を介して上記第1交互層上に設けられていてもよい。上記第1交互層112は、A層とB層とを含む。上記第2交互層113は、C層とD層とを含む。上記A層と上記B層とは、交互にそれぞれ1層以上積層されている。上記C層と上記D層とは、交互にそれぞれ1層以上積層されている。第1交互層112は、耐摩耗性を特に備えるための2層以上からなる多層膜であり、本明細書において「耐摩耗層」と称する場合がある。また、第1交互層112は、その上に第2交互層113が設けられるため、本明細書において「下部層」と称する場合もある。
図1に示すように、第1交互層112は、上述のとおりA層とB層とを含む。上記A層と上記B層とは、交互にそれぞれ1層以上積層されている。上記A層と上記B層とは、交互にそれぞれ1層以上積層されている限りその積層数(A層及びB層の総数)は特に制限されない。上記積層数は、例えば10〜10000層であることが好ましく、10〜5000層であることがより好ましく、20〜500層であることが更に好ましい。すなわち、上記A層と上記B層とを一つの繰り返し単位とした場合、第1交互層における繰り返し単位の数は、5〜5000であることが好ましく、5〜2500であることがより好ましく、10〜250であることが更に好ましい。
A層は、AlaCrbM1(1−a−b)の窒化物又は炭窒化物からなり、上記A層を構成する各金属原子の原子数比は、0.5≦a≦0.9、0<b≦0.4、及び0≦(1−a−b)≦0.1の関係を満たす。上記A層は、Alを含むことによって、耐酸化性が向上する。上記A層は、窒化物又は炭窒化物であることにより、膜の硬度が高くなり耐摩耗性が向上する、被削材に対する摩擦係数が小さくなることにより耐溶着性が向上する等の効果がある。
B層は、AlcTidM2(1−c−d)の窒化物又は炭窒化物からなり、B層を構成する各金属原子の原子数比は、0.3≦c≦0.7、0.3≦d≦0.7、及び0≦(1−c−d)≦0.1の関係を満たす。B層は、窒化物又は炭窒化物であることにより、膜の硬度が高くなり耐摩耗性が向上する、被削材に対する摩擦係数が小さくなることにより耐溶着性が向上する等の効果がある。
図1に示すように、第2交互層113は、第1交互層112上に設けられている。言い換えると、上記第2交互層113は、第1交互層112における基材側とは反対側に設けられている。切削加工時に発生する熱は、通常被膜の表面から切削工具に伝わる。そのため、第1交互層112の上に耐熱層である第2交互層を形成することで、切削加工時における被膜全体への熱の伝導が抑制される。第2交互層113は、C層とD層とを含む。上記C層と上記D層とは、交互にそれぞれ1層以上積層されている。上記C層と上記D層とは、交互にそれぞれ1層以上積層されている限りその積層数(C層及びD層の総数)は特に制限されない。上記積層数は、例えば10〜10000層であることが好ましく、10〜5000層であることがより好ましく、20〜500層であることが更に好ましい。すなわち、上記C層と上記D層とを一つの繰り返し単位とした場合、第2交互層における繰り返し単位の数は、5〜5000であることが好ましく、5〜2500であることがより好ましく、10〜250であることが更に好ましい。第2交互層はこのような積層構造(好ましくは、超多層構造)を有することで、切削加工時に第2交互層が大きく欠損することを抑制することができる。すなわち、第2交互層はこのような積層構造(好ましくは、超多層構造)を有することで、耐チッピング性を向上させることができ、ひいては切削寿命を向上させることができる。
C層は、TieSifM3(1−e−f)の窒化物又は炭窒化物からなり、C層を構成する各金属原子の原子数比は、0.75≦e≦0.99、0.01≦f≦0.2、及び0≦(1−e−f)≦0.1の関係を満たす。C層は、窒化物又は炭窒化物であることにより、膜の硬度が高くなり耐摩耗性が向上すること、被削材に対する摩擦係数が小さくなることにより耐溶着性が向上すること等の効果がある。
D層は、TigSihM4(1−g−h)の窒化物又は炭窒化物からなり、D層を構成する各金属原子の原子数比は、0.8≦g≦0.99、0.01≦h≦0.2、及び0≦(1−g−h)≦0.1の関係を満たす。D層は、窒化物又は炭窒化物であることにより、膜の硬度が高くなり耐摩耗性が向上すること、被削材に対する摩擦係数が小さくなることにより耐溶着性が向上すること等の効果がある。
上記中間層は、上記A層と上記C層との交互層、上記A層と上記D層との交互層、上記B層と上記C層との交互層、又は上記B層と上記D層との交互層であることが好ましい。上記被膜が中間層を含むことで、上記第1交互層と上記第2交互層との密着性が向上し、断続加工等における上記被膜の剥離を抑制することができる。ここで、例えば「上記A層と上記C層との交互層」とは、上記A層と上記C層とが、交互にそれぞれ1層以上積層された多層構造を有する層を意味する。「上記A層と上記D層との交互層」、「上記B層と上記C層との交互層」、「上記B層と上記D層との交互層」についても同様である。
中間層は、その厚さが6nm以上1000nm以下であることが好ましく、10nm以上1000nm以下であることがより好ましい。中間層の厚さが6nm未満である場合、所望の密着作用が得られにくい傾向がある。中間層の厚さが1000nmを超える場合、中間層内の残留応力が大きくなって、かえって剥離しやすくなる傾向がある。中間層の厚さは、上述したSEM、TEM等を用いた方法によって測定することが可能である。
上記被膜11は、上記基材12と上記第1交互層112との間に密着層111を更に有していてもよい。より好ましくは、被膜11において密着層111は、第1交互層112及び基材12と接する。被膜11が密着層111を含むことにより、被膜11の基材12からの剥離が防止され、表面被覆切削工具1の寿命を安定化させることができる。
〔a〕〜〔l〕を挙げることができる。密着層はこれらの化合物のうち1種以上を含むことができる。
〔a〕Ti、Wを含む炭化物、窒化物又は炭窒化物(例えば、WTiC、WTiN、WTiCN等)
〔b〕Cr、Wを含む炭化物、窒化物又は炭窒化物(例えば、WCrC、WCrN、WCrCN等)
〔c〕Ti、Cr、Wを含む炭化物、窒化物又は炭窒化物(例えば、WCrTiC、WCrTiN、WCrTiCN等)
〔d〕Ti、Al、Wを含む炭化物、窒化物又は炭窒化物(例えば、WTiAlC、WTiAlN、WTiAlCN等)
〔e〕Ti、Si、Wを含む炭化物、窒化物又は炭窒化物(例えば、WTiSiC、WTiSiN、WTiSiCN等)
〔f〕Ti、Cr、Al、Wを含む炭化物、窒化物又は炭窒化物(例えば、WCrTiAlC、WCrTiAlN、WCrTiAlCN等)
〔g〕Ti、Cr、Si、Wを含む炭化物、窒化物又は炭窒化物(例えば、WCrTiSiC、WCrTiSiN、WCrTiSiCN等)
〔h〕Ti、Al、Si、Wを含む炭化物、窒化物又は炭窒化物(例えば、WTiAlSiC、WTiAlSiN、WTiAlSiCN等)
〔i〕Ti、Cr、Al、Si、Wを含む炭化物、窒化物又は炭窒化物(例えば、WCrTiAlSiC、WCrTiAlSiN、WCrTiAlSiCN等)
〔j〕Ti、Cr、Al、B、Wを含む炭化物、窒化物又は炭窒化物(例えば、WCrTiAlBC、WCrTiAlBN、WCrTiAlBCN等)
〔k〕Ti、Cr、Al、B、Si、Wを含む炭化物、窒化物又は炭窒化物(例えば、WCrTiAlBSiC、WCrTiAlBSiN、WCrTiAlBSiCN等)
〔l〕上記の〔a〕〜〔k〕においてCrの全部又は一部をTi、Zr及びNbから選択される1種以上の元素と置き換えた化合物。
本実施形態に係る表面被覆切削工具の製造方法は、上記表面被覆切削工具を製造する方法であって、
上記基材を準備する工程(以下、「第1工程」という場合がある。)と、
物理的蒸着法を用いて上記基材の上に上記A層と上記B層とを交互にそれぞれ1層以上積層することによって上記第1交互層を形成する工程(以下、「第2工程」という場合がある。)と、
物理的蒸着法を用いて上記第1交互層の上に上記C層と上記D層とを交互にそれぞれ1層以上積層することによって上記第2交互層を形成する工程(以下、「第3工程」という場合がある。)と、
を含む。
第1工程では基材が準備される。例えば、基材として超硬合金基材が準備される。超硬合金基材は、市販のものを用いてもよく、一般的な粉末冶金法で製造してもよい。一般的な粉末冶金法で製造する場合、例えば、ボールミル等によってWC粉末とCo粉末等とを混合して混合粉末を得る。該混合粉末を乾燥した後、所定の形状に成形して成形体を得る。さらに該成形体を焼結することにより、WC−Co系超硬合金(焼結体)を得る。次いで該焼結体に対して、ホーニング処理等の所定の刃先加工を施すことにより、WC−Co系超硬合金からなる基材を製造することができる。第1工程では、上記以外の基材であっても、この種の基材として従来公知のものであればいずれも準備可能である。
後述する第2工程の前に、基材を洗浄する工程を行なうことができる。例えば、第2工程においてカソードアークイオンプレーティング法を用いて第1交互層を形成する前に、基材の表面に対してイオンボンバードメント処理を施すことができる。これにより例えば、基材として超硬合金基材を用いた場合、基材の表面から軟質な結合相を除去することができる。その後、基材上に密着層を形成することにより、密着層と基材とが接する部分における硬質粒子の占有率を高めることができる。このとき基材における密着層と接する面積のうち80%以上がWCであることがより好ましい。
さらにイオンボンバードメント処理自体により、密着層の前駆体を形成することができる。すなわちイオンボンバードメント処理においてCr、Ti、Zr及びNbから選択される1種以上の元素(第1元素)を含むターゲットを使用することにより、基材の表面を洗浄しながら、これらの元素を密着層の前駆体として基材の表面に付着させることができる。そして、これらの元素が付着した表面上に、後述する第2工程である第1交互層を形成する工程を行なうことにより、密着力に優れる密着層を、第1交互層と併せて形成することができる。イオンボンバードメント処理に使用され、かつ密着層に含まれる元素としては、Crであることがより望ましい。Crは昇華性の元素であるため、イオンボンバードメント処理の際に溶融粒子(ドロップレット)の発生が少なく、基材の表面荒れを防止できるからである。
第2工程では、A層とB層とが交互にそれぞれ1層以上積層された第1交互層が形成される。その方法としては、形成しようとするA層及びB層の組成に応じて、各種の方法が用いられる。例えば、Ti、Cr、Al及びSi等の粒径をそれぞれ変化させた合金製ターゲットを使用する方法、それぞれ組成の異なる複数のターゲットを使用する方法、成膜時に印可するバイアス電圧をパルス電圧とする方法、成膜時にガス流量を変化させる方法、又は、成膜装置において基材を保持する基材ホルダの回転速度を調整する方法等を挙げることができる。これらの方法を組み合わせて第1交互層を形成することもできる。
後述する第3工程の前に、中間層を形成する工程を行なうことができる。例えば、中間層を形成する工程は以下のようにして行われる。すなわち、第1交互層を形成する工程に引き続き、第1交互層が形成された基材12をチャンバ3内の中央で回転させた状態で、反応ガスとして窒素及びメタンガスの両方又はいずれか一方を導入する。さらに、当該基材12を温度400〜700℃に、反応ガス圧を1.0〜5.0Paに、バイアス電源42の電圧を−30〜−800Vの範囲にそれぞれ維持し、又はそれぞれを徐々に変化させながらA層形成用の蒸発源31(又はB層形成用の蒸発源32)及びC層形成用の蒸発源33(又はD層形成用の蒸発源34)にそれぞれ100〜200Aのアーク電流を供給する。これにより、各蒸発源からそれぞれ金属イオンを発生させ、所定の時間が経過したところでアーク電流の供給を止めて、第1交互層の表面上に中間層を形成する。
第3工程では、C層とD層とが交互にそれぞれ1層以上積層された第2交互層が形成される。その方法としても第2工程と同様に、形成しようとするC層及びD層の組成に応じて、各種の方法が用いられる。例えば、Tiと、Taと、Si又はBとの粒径をそれぞれ変化させた合金製ターゲットを使用する方法、それぞれ組成の異なる複数のターゲットを使用する方法、成膜時に印可するバイアス電圧をパルス電圧とする方法、ガス流量を変化させる方法、又は、成膜装置において基材を保持する基材ホルダの回転速度を調整する方法等を挙げることができる。これらの方法を組み合わせて第2交互層を形成することもできる。
以上の説明は、以下に付記する実施態様を含む。
(付記1)
基材と、前記基材の表面を被覆する被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
前記被膜は、前記基材上に形成された第1交互層と、前記第1交互層上に形成された第2交互層とを含み、
前記第1交互層は、A層とB層とを含み、
前記第2交互層は、C層とD層とを含み、
前記A層と前記B層とは、交互にそれぞれ1層以上積層され、
前記C層と前記D層とは、交互にそれぞれ1層以上積層され、
前記A層は、AlaCrbM1(1−a−b)の窒化物又は炭窒化物からなり、前記A層を構成する各金属原子の原子数比は、0.5≦a≦0.9、0<b≦0.4、及び0≦(1−a−b)≦0.1の関係を満たし、
前記B層は、AlcTidM2(1−c−d)の窒化物又は炭窒化物からなり、前記B層を構成する各金属原子の原子数比は、0.3≦c≦0.7、0.3≦d≦0.7、及び0≦(1−c−d)≦0.1の関係を満たし、
前記C層は、TieSifM3(1−e−f)の窒化物又は炭窒化物からなり、前記C層を構成する各金属原子の原子数比は、0.75≦e≦0.99、0.01≦f≦0.2、及び0≦(1−e−f)≦0.1の関係を満たし、
前記D層は、TigSihM4(1−g−h)の窒化物又は炭窒化物からなり、前記D層を構成する各金属原子の原子数比は、0.8≦g≦0.99、0.01≦h≦0.2、及び0≦(1−g−h)≦0.1の関係を満たし、
前記C層を構成するTiの原子数比e及び前記D層を構成するTiの原子数比gは、0.05≦|g−e|≦0.2の関係を満たし、
前記C層を構成するSiの原子数比f及び前記D層を構成するSiの原子数比hは、0.05≦|h−f|≦0.2の関係を満たし、
前記M1及び前記M2は、それぞれ独立してSi及びBからなる群より選択される1種以上の元素であり、
前記M3及び前記M4は、それぞれ独立してTa及びBからなる群より選択される1種以上の元素である、表面被覆切削工具。
(付記2)
前記被膜は、前記第1交互層と前記第2交互層との間に中間層を更に有し、
前記中間層は、前記A層と前記C層との交互層、前記A層と前記D層との交互層、前記B層と前記C層との交互層、又は前記B層と前記D層との交互層である、付記1に記載の表面被覆切削工具。
(付記3)
前記第1交互層は、最上層が前記B層である、付記1又は付記2に記載の表面被覆切削工具。
(付記4)
前記第1交互層は、最下層が前記A層又は前記B層である、付記1〜付記3のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
(付記5)
前記A層は、その厚さλaが0.005μm以上2μm以下であり、且つ、
前記B層は、その厚さλbが0.002μm以上2μm以下であり、
前記A層と前記B層との厚さの比λa/λbは、1≦λa/λb≦5の関係を満たす、付記1〜付記4のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
(付記6)
前記C層は、その厚さλcが0.005μm以上2μm以下であり、且つ、
前記D層は、その厚さλdが0.001μm以上2μm以下であり、
前記C層と前記D層との厚さの比λc/λdは、1≦λc/λd≦5の関係を満たす、付記1〜付記5のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
(付記7)
前記被膜は、その全体の厚さが0.5μm以上15μm以下である、付記1〜付記6のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
(付記8)
前記被膜は、前記基材と前記第1交互層との間に密着層を更に有し、
前記密着層は、その厚さが0.5nm以上20nm以下であり、
前記密着層は、Cr、Ti、Zr及びNbからなる群より選択される1種以上の第1元素と、前記基材を構成する元素から選択される1種以上の第2元素と、前記第1交互層又は前記第2交互層を構成する元素から選択される1種以上の第3元素とを含む炭化物、窒化物又は炭窒化物を含む、付記1〜付記7のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
(付記9)
前記第2元素は、少なくともWを含む、付記8に記載の表面被覆工具。
(付記10)
前記基材は、WCを含有する硬質粒子と、前記硬質粒子同士を結合する結合相とを含み、
前記結合相は、Coを含み、
前記密着層は、W、Cr、Ti、Al及びM5を含む炭化物、窒化物又は炭窒化物を含み、
前記M5は、W、Cr及びTiを除く周期表第4族元素、第5族元素、第6族元素、Si及びBからなる群より選択される1種以上の元素である、付記9に記載の表面被覆工具。
(付記11)
前記第1交互層は、立方晶の結晶構造を含み、且つ前記第2交互層は、立方晶の結晶構造を含む、付記1〜付記10のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
図3は、本実施例で用いた成膜装置(カソードアークイオンプレーティング装置)の模式断面図である。図4は、本実施例で用いた成膜装置の模式平面図である。
この成膜装置のチャンバ3内に、基材12を準備した(基材を準備する工程)。本実施例では、基材12としてグレードがISO規格P30の超硬合金であって形状がJIS規格のSFKN12T3AZTNであるチップを用いた。基材12を構成する超硬合金は、硬質粒子としてWCを含み、上記硬質粒子をCoからなる結合相によって結合している超硬合金である。図3に示すように、基材12は、チャンバ3内の中央に回転可能に備え付けられた回転テーブル20上の基材ホルダ21の外表面に取り付けた。
実施例1〜12、14、16〜20においては、上記の基材12の洗浄に引き続き、基材12をチャンバ3内の中央で回転させた状態で、反応ガスとして窒素を導入した。さらに、基材12を温度500℃に、反応ガス圧を2.0Paに、バイアス電源42の電圧を−30V〜−800Vの範囲の一定値にそれぞれ維持し、又はそれぞれを徐々に変化させながらA層形成用の蒸発源31及びB層形成用の蒸発源32にそれぞれ100Aのアーク電流を供給した。これにより、蒸発源31及び蒸発源32からそれぞれ金属イオンを発生させ、所定の時間が経過したところでアーク電流の供給を止めて、基材12の表面上に表1又は表2に示す組成の第1交互層を形成した。このとき第1交互層は、表1又は表2に示す組成を有するA層及びB層を、表1又は表2に示す厚さ(λa、λb)及び層厚比(λa/λb)を有するように基材12の回転速度を調整しながら、それぞれ1層ずつ交互に積層することによって作製した。このとき、積層数(A層及びB層の総数)は69〜511層であった(表1及び表2)。また、上記A層と上記B層とを一つの繰り返し単位とした場合、形成された第1交互層における繰り返し単位の数は、34〜255であった。なお、上記A層及び上記B層それぞれの厚さと積層数とに基づいて算出される第1交互層の全体の厚さと、透過型電子顕微鏡(TEM)によって求められた第1交互層の全体の厚さとが一致しないのは、実験誤差によるものであると考えられる。
次に、実施例1〜13及び18〜20において、基材12の温度、反応ガス圧及びバイアス電圧を上記のまま維持し、C層形成用の蒸発源33及びD層形成用の蒸発源34にそれぞれ100Aのアーク電流を供給することによって、蒸発源33及び蒸発源34からそれぞれ金属イオンを発生させた。このとき反応ガスは窒素を用いた。所定の時間が経過したところでアーク電流の供給を止めて、第1交互層上に表3又は表4に示す組成の第2交互層を形成した。このとき第2交互層は、表3又は表4に示す組成を有するC層及びD層を、表3又は表4に示す厚さ(λc、λd)及び層厚比(λc/λd)を有するように基材12の回転速度を調整しながら、それぞれ1層ずつ交互に積層することによって作製した。このとき、積層数(C層及びD層の総数)は91〜549層であった(表3及び表4)。また、上記C層と上記D層とを一つの繰り返し単位とした場合、形成された第2交互層における繰り返し単位の数は、45〜274であった。なお、上記C層及び上記D層それぞれの厚さと積層数とに基づいて算出される第2交互層の全体の厚さと、透過型電子顕微鏡(TEM)によって求められた第2交互層の全体の厚さとが一致しないのは、実験誤差によるものであると考えられる。実施例14〜17においては、反応ガスとして窒素に加えメタンガスを導入し、形成されるC層及びD層が炭窒化物となるようにし、その他は上記と同様にして第2交互層を作製した。なお、C層及びD層の1層当たりの厚さの比率(層厚比)は、表3又は表4のとおりとなるように回転テーブル20の回転速度を制御することにより調整した。
ここで実施例12〜20においては、上記の基材を洗浄する工程に引き続き、表5又は表6に示す組成及び厚さの密着層を形成した。比較例2については、密着層に相当する層としてTiNの層を表6に示す厚さで形成した。
ここで実施例5〜20においては、上記第1交互層を形成する工程に引き続き、表5又は表6に示す組成及び厚さを有する中間層を形成した。具体的には、第1交互層を形成した基材12をチャンバ3の中央で回転させた状態で、反応ガスとして窒素及びメタンガスの両方又はいずれか一方を導入して行なった。さらに、基材12を温度500℃に、反応ガス圧を2.0Paに、バイアス電源42の電圧を−30V〜−800Vの範囲の一定値にそれぞれ維持し、又はそれぞれを徐々に変化させながらA層形成用の蒸発源31(又はB層形成用の蒸発源32)及びC層形成用の蒸発源33(又はD層形成用の蒸発源34)にそれぞれ100Aのアーク電流を供給した。これにより、各蒸発源からそれぞれ金属イオンを発生させ、所定の時間が経過したところでアーク電流の供給を止めて、第1交互層112の表面上に中間層114を形成した。中間層114は、A層(又はB層)とC層(又はD層)との交互層からなる多層構造であった。
≪連続切削試験≫
上述のようにして得た実施例1〜20及び比較例1〜8の表面被覆切削工具に対し、以下の条件で連続切削試験を行なった。逃げ面摩耗幅が0.2mmを超えるまでに切削した距離(単位は、m)を測定することにより、工具寿命を評価した。その結果を表5及び表6に示す。切削距離の値が大きいほど耐摩耗性に優れ、寿命がより長いことを示す。
切削材 : 合金鋼
切削速度v(m/min) : 250m/min
送り速度f(mm/刃) : 0.2mm/刃
切り込み量ap(mm) : 2.0mm
半径方向の切り込み量as(mm) : 50mm。
さらに、実施例1〜20及び比較例1〜8の表面被覆切削工具に対し、以下の条件で乾式の断続切削試験を行ない、刃先が欠損するまでに切削した距離(単位は、m)を測定することにより、工具寿命を評価した。その結果を表5及び表6に示す。切削距離の値が大きいほど耐チッピング性に優れ、寿命がより長いことを示す。
切削材 : SUS316
切削速度v(m/min) : 250m/min
送り速度f(mm/刃) : 0.23mm/刃
切り込み量ap(mm) : 2.0mm
半径方向の切り込み量ae(mm) : 50mm。
表5及び表6に示すように、各実施例に係る表面被覆切削工具は、各比較例の表面被覆切削工具に比べ、工具寿命が向上していることが明らかである。その理由は、A層及びB層からなる第1交互層により、耐摩耗性が向上し、C層及びD層からなる第2交互層により、耐熱性及び耐チッピング性が向上したことによるものと考えられる。したがって、実施例に係る表面被覆切削工具はそれぞれ、優れた耐チッピング性及び耐摩耗性を示す。そのため、実施例に係る表面被覆切削工具は過酷な切削条件に耐え、優れた刃先品位を得ることができる。
Claims (13)
- 基材と、前記基材の表面に設けられた被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
前記被膜は、前記基材上に設けられた第1交互層と、前記第1交互層上に設けられた第2交互層とを含み、
前記第1交互層は、A層とB層とを含み、
前記第2交互層は、C層とD層とを含み、
前記A層と前記B層とは、交互にそれぞれ1層以上積層され、
前記C層と前記D層とは、交互にそれぞれ1層以上積層され、
前記A層は、AlaCrbM1(1−a−b)の窒化物又は炭窒化物からなり、前記A層を構成する各金属原子の原子数比は、0.5≦a≦0.9、0<b≦0.4、及び0≦(1−a−b)≦0.1の関係を満たし、
前記B層は、AlcTidM2(1−c−d)の窒化物又は炭窒化物からなり、前記B層を構成する各金属原子の原子数比は、0.3≦c≦0.7、0.3≦d≦0.7、及び0≦(1−c−d)≦0.1の関係を満たし、
前記C層は、TieSifM3(1−e−f)の窒化物又は炭窒化物からなり、前記C層を構成する各金属原子の原子数比は、0.75≦e≦0.99、0.01≦f≦0.2、及び0≦(1−e−f)≦0.1の関係を満たし、
前記D層は、TigSihM4(1−g−h)の窒化物又は炭窒化物からなり、前記D層を構成する各金属原子の原子数比は、0.8≦g≦0.99、0.01≦h≦0.2、及び0≦(1−g−h)≦0.1の関係を満たし、
前記C層を構成するTiの原子数比e及び前記D層を構成するTiの原子数比gは、0.05≦|g−e|≦0.2の関係を満たし、
前記C層を構成するSiの原子数比f及び前記D層を構成するSiの原子数比hは、0.05≦|h−f|≦0.2の関係を満たし、
前記M1及び前記M2は、それぞれ独立してSi及びBからなる群より選択される1種以上の元素であり、
前記M3及び前記M4は、それぞれ独立してTa及びBからなる群より選択される1種以上の元素である、表面被覆切削工具。 - 前記被膜は、前記第1交互層と前記第2交互層との間に中間層を更に有し、
前記中間層は、前記A層と前記C層との交互層、前記A層と前記D層との交互層、前記B層と前記C層との交互層、又は前記B層と前記D層との交互層である、請求項1に記載の表面被覆切削工具。 - 前記第1交互層は、最上層が前記B層である、請求項1又は請求項2に記載の表面被覆切削工具。
- 前記第1交互層は、最下層が前記A層又は前記B層である、請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。
- 前記第1交互層における前記A層は、その厚さλaが0.005μm以上2μm以下であり、且つ、
前記第1交互層における前記B層は、その厚さλbが0.002μm以上2μm以下であり、
前記第1交互層における前記A層と前記第1交互層における前記B層との厚さの比λa/λbは、1≦λa/λb≦5の関係を満たす、請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。 - 前記第2交互層における前記C層は、その厚さλcが0.005μm以上2μm以下であり、且つ、
前記第2交互層における前記D層は、その厚さλdが0.001μm以上2μm以下であり、
前記第2交互層における前記C層と前記第2交互層における前記D層との厚さの比λc/λdは、1≦λc/λd≦5の関係を満たす、請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。 - 前記被膜は、その全体の厚さが0.5μm以上15μm以下である、請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。
- 前記被膜は、前記基材と前記第1交互層との間に密着層を更に有し、
前記密着層は、その厚さが0.5nm以上20nm以下であり、
前記密着層は、Cr、Ti、Zr及びNbからなる群より選択される1種以上の第1元素と、前記基材を構成する元素から選択される1種以上の第2元素と、前記第1交互層又は前記第2交互層を構成する元素から選択される1種以上の第3元素とを含む炭化物、窒化物又は炭窒化物を含む、請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。 - 前記第2元素は、少なくともWを含む、請求項8に記載の表面被覆切削工具。
- 前記基材は、WCを含有する硬質粒子と、前記硬質粒子同士を結合する結合相とを含み、
前記結合相は、Coを含み、
前記密着層は、W、Cr、Ti、Al及びM5を含む炭化物、窒化物又は炭窒化物を含み、
前記M5は、W、Cr及びTiを除く周期表第4族元素、第5族元素、第6族元素、Si及びBからなる群より選択される1種以上の元素である、請求項9に記載の表面被覆切削工具。 - 前記第1交互層は、立方晶の結晶構造を含み、且つ前記第2交互層は、立方晶の結晶構造を含む、請求項1〜請求項10のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。
- 請求項1〜請求項11のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具を製造する方法であって、
前記基材を準備する工程と、
物理的蒸着法を用いて前記基材の上に前記A層と前記B層とを交互にそれぞれ1層以上積層することによって前記第1交互層を形成する工程と、
物理的蒸着法を用いて前記第1交互層の上に前記C層と前記D層とを交互にそれぞれ1層以上積層することによって前記第2交互層を形成する工程と、
を含む、表面被覆切削工具の製造方法。 - 前記物理的蒸着法は、カソードアークイオンプレーティング法、バランスドマグネトロンスパッタリング法及びアンバランスドマグネトロンスパッタリング法からなる群より選択される少なくとも1種である、請求項12に記載の表面被覆切削工具の製造方法。
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