JP6927431B2 - 被覆切削工具及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本願は、2018年5月30日に、日本に出願された特願2018−103480号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本実施形態の被覆切削工具は、基材上に硬質皮膜を有し、硬質皮膜として基材側から順に基材側単層部及び積層部を有し、基材側単層部は、金属(半金属を含む)元素の割合でAlが最も多く、AlとCrの合計の含有比率(原子比)が0.9以上であり、かつ少なくともBを含有する窒化物主体の硬質皮膜からなる。積層部は、金属(半金属を含む)元素の割合でTiが最も多く、かつ少なくともBを含有する窒化物主体のa層と、金属(半金属を含む)元素の割合でAlが最も多く、かつ少なくともCrとBを含有する窒化物主体のb層とが交互に積層されてなる。a層とb層との膜厚方向の積層周期は5〜100nmである。基材側単層部及び積層部から構成される部分のX線回折パターンはfccの単一構造からなる。
基材は耐熱性に富み、物理蒸着法を適用できる材質である必要がある。基材の材質として、例えば超硬合金、サーメット、高速度鋼、工具鋼または立方晶窒化ホウ素(cBN)等のセラミックスが挙げられる。基材の材質は、強度、硬度、耐摩耗性、靱性及び熱安定性等の観点から、超硬合金基材又はセラミックス基材が好ましい。超硬合金は炭化タングステン粒子とCoまたはCoを主体とする合金の結合相とからなる。結合相の含有量は、炭化タングステン及び結合相の各含有量の合計(100質量%)に対して1〜13.5質量%が好ましく、3〜13質量%がより好ましい。超硬合金中の結合相の含有量が、1質量%未満では靭性が不十分であり、13.5質量%超では硬度(耐摩耗性)が不十分である。焼結後の基材の未加工面、研磨加工面及び刃先処理加工面のいずれにも本実施形態の硬質皮膜を形成できる。
基材が超硬合金の場合、基材表面にTiB合金のターゲットから発生したイオンを照射し(以後、イオンボンバードともいう)、平均厚さ1〜10nmのfcc構造を有する改質層を形成するのが好ましい。超硬合金は主成分の炭化タングステンがhcp構造を有するが、改質層は基材側単層部と同じfcc構造からなる。超硬合金の基材と改質層とは、それらの境界(界面)における結晶格子縞の好ましくは30%以上、さらに好ましくは50%以上、特に好ましくは70%以上の部分が連続する。この構造により、改質層を介して超硬合金の基材と基材側単層部とが強固に密着する。
(1) 組成
(a) 基材側単層部及び表面側単層部
本実施形態の基材側単層部及び表面側単層部はいずれも、金属(半金属を含む)元素の割合でAlが最も多く、AlとCrの合計の含有比率(原子比)が0.9以上であり、かつ少なくともBを含有する窒化物主体の硬質皮膜からなる。前記のAlとCrの合計の含有比率(原子比)が0.9以上であることにより当該皮膜の耐摩耗性が向上する。当該皮膜の耐摩耗性を向上するために、前記のAlとCrの合計の含有比率(原子比)は0.90〜0.99が好ましく、Alの含有比率(原子比)は0.5以上が好ましく、Bの含有比率(原子比)は0.01以上が好ましい。前記のAlとCrの合計の含有比率(原子比)、Alの含有比率(原子比)及びBの含有比率(原子比)が前記特定範囲を外れると耐摩耗性が低下する。なお、「窒化物主体」とは、Nの含有比率(原子比)が、非金属元素の含有比率(原子比)の合計1に対して0.5以上であることを意味し、Nの含有比率(原子比)は0.6以上であることが好ましい。
本実施形態の積層部は、金属(半金属を含む)元素の割合でTiが最も多く、かつ少なくともBを含有する窒化物主体のa層と、金属(半金属を含む)元素の割合でAlが最も多く、かつ少なくともCrとBを含有する窒化物主体のb層とが交互に積層されてなる。a層において、Tiの含有比率(原子比)は0.65以上であるのが好ましく、Bの含有比率(原子比)は0.01以上であるのが好ましい。b層において、Alの含有比率(原子比)は0.42以上であるのが好ましく、Crの含有比率(原子比)は0.1以上であるのが好ましく、Bの含有比率(原子比)は0.01以上であるのが好ましい。a層及びb層における各元素の含有比率(原子比)が前記特定範囲を外れると当該皮膜の耐摩耗性が低下しやすい。なお、「窒化物主体」とは、Nの含有比率(原子比)が、非金属元素の含有比率(原子比)の合計1に対して0.5以上であることを意味し、Nの含有比率(原子比)は0.6以上であることが好ましい。
基材側単層部、積層部のa層及びb層、及び表面側単層部において、前記特定範囲のB含有量とすることにより、各皮膜の結晶粒の格子歪が増加する。この作用により、B添加された硬質皮膜において、皮膜硬度、耐摩耗性及び工具寿命がいずれも向上する。
基材側単層部、積層部のa層及びb層、及び表面側単層部において、前記特定範囲のB含有量とすることを前提に、前記特定範囲のC含有量とすることにより、各皮膜の結晶粒の格子歪がさらに増加する。この作用により、C添加された硬質皮膜では、皮膜硬度、耐摩耗性及び工具寿命がいずれもさらに向上する。
本実施形態の基材側単層部の膜厚(t1)は積層部の全体の膜厚(t2)より大きい。さらに、t1は1.0〜5μmであるのが好ましい。t1が、1.0μm未満では逃げ面摩耗が進みやすく、5μm超では基材側単層部の密着力が顕著に低下する。t1は1.2〜5.0μmであるのがさらに好ましい。
積層部の全体の膜厚(t2)は0.5〜2.5μmであるのが好ましい。t2が、0.5μm未満ではすくい面摩耗が進みやすく、2.5μm超では積層部の密着力が低下する。t2は0.8〜2.2μmであるのがさらに好ましい。
本実施形態の積層部のa層及びb層の積層周期Tは、図2に示すように、任意のa層1層の下端から隣接する直上のb層1層の上端までの膜厚方向の距離(厚さ)である。Tは5〜100nmである。Tが5nm未満及び100nm超ではいずれも当該皮膜の耐摩耗性が低下する。Tは10〜90nmであるのが好ましく、20〜80nmであるのがさらに好ましい。
なお、積層部において、a層とb層との相互拡散によってa層とb層の境界が不明瞭になる場合がある。この場合、積層周期Tを、積層部において隣接する3層(例えば順に積層されるa層、b層、及びa層)において、b層を挟んで配置される2つのa層の積層方向における距離として計測することもできる。2つのa層間の距離は、各々のa層の厚さ方向の中点同士を結んだ距離である。
本実施形態の基材側単層部及び積層部から構成される硬質皮膜の部分のX線回折パターンはfccの単一構造からなる。さらに、本実施形態の基材側単層部、積層部及び表面側単層部から構成される硬質皮膜の部分のX線回折パターンはfccの単一構造からなるのが好ましい。すなわち、本実施形態の前記硬質皮膜の部分がfccの結晶相であることにより、被覆切削工具としての高性能化、長寿命化に寄与する。なお、X線回折パターンに現れない範囲であれば、硬質皮膜内にfcc以外の微小相が存在していても構わない。積層部のみの結晶構造は微小相の検出が可能な電子回折(TEM)により同定できる。高性能化、長寿命化の点から、前記電子回折において、積層部はfccを主構造とするのが好ましく、fccの単一構造からなるのがさらに好ましい。
本発明者は、高性能で長寿命なナノ積層皮膜を鋭意検討した結果、(i)基材上に上記特定組成の基材側単層部を形成したこと、(ii)基材側単層部の上に上記特定組成のa層とb層とを交互に積層するとともに両層の膜厚方向の積層周期Tを5〜100nmとしたこと、及び(iii)基材側単層部及び積層部から構成される部分のX線回折パターンがfccの単一構造からなることにより、従来に比べて逃げ面摩耗及びすくい面摩耗をバランス良く顕著に抑制できることを発見した。即ち、十分解明できていないものの、基材側単層部及びb層が主に逃げ面摩耗を抑制し、a層が主にすくい面摩耗(クレータ摩耗)を抑制することが分かった。さらに、表面側単層部が形成されると逃げ面摩耗の抑制効果がより向上することが分かった。
本実施形態の硬質皮膜の形成にはアークイオンプレーティング(以後、AIともいう)装置を使用することができる。AI装置は、例えば図1に示すように、減圧容器25と、絶縁物14を介して減圧容器25に取り付けられたアーク放電式蒸発源13,27と、各アーク放電式蒸発源13,27に取り付けられたターゲット10,18と、各アーク放電式蒸発源13,27に接続されたアーク放電用電源11,12と、軸受け部24を介して減圧容器25の内部まで貫通する回転自在の支柱6と、基材7を保持するために支柱6に支持された保持具8と、支柱6を回転させる駆動部1と、基材7にバイアス電圧を印加するバイアス電源3とを具備する。減圧容器25には、ガス導入部2及び排気口17が設けられている。アーク点火機構16,16は、アーク点火機構軸受部15,15を介して減圧容器25に取り付けられている。減圧容器25内に導入したガス(アルゴンガス、窒素ガス等)のイオン化のために、フィラメント型の電極20が絶縁物19,19を介して減圧容器25に取り付けられている。ターゲット10と基材7との間には、遮蔽板軸受け部21を介して減圧容器25に遮蔽板23が設けられている。遮蔽板23は遮蔽板駆動部22により例えば上下または左右方向に移動し、遮蔽板23がターゲット10と基材7との間に存在しない状態にされた後に、本実施形態の硬質皮膜の形成が行われる。
(1) AlCrB合金及びAlCrBC合金の組成
本実施形態の基材側単層部、b層及び表面側単層部(以後、基材側単層部等ともいう)の形成用のターゲットとして使用するAlCrB合金またはAlCrBC合金は、例えば所定組成のAl粉末またはAlC粉末及びCrB合金粉末を用いて、下記のAlCrB合金またはAlCrBC合金の組成に配合及び混合し、得られた混合粉末を成形し、得られた成形体を焼結して得られる。上記工程により作製されるAlCrB焼結体合金またはAlCrBC焼結体合金の含有酸素量は、例えばAl粉末またはAlC粉末及びCrB合金粉末の粒径、及び配合工程から焼結工程までを非酸化性雰囲気(例えば、アルゴンガス雰囲気または真空度1〜10×10−3Paの雰囲気)で行うことにより適宜調整することができる。
AlCrB合金またはAlCrBC合金の酸素含有量は2000〜4000μg/gであるのが好ましい。酸素含有量が2000μg/g未満及び4000μg/g超ではいずれも、基材側単層部等のOの原子比fが0.002未満または0.010超になる。AlCrB合金またはAlCrBC合金の酸素含有量は、2050〜3900μg/gであるのがさらに好ましく、2100〜3800μg/gであるのが特に好ましい。
本実施形態の改質層及びa層を形成するためのTiB合金ターゲットは、不可避的不純物を除いて下記一般式:Ti1−δBδ(ただし、1−δ及びδはそれぞれTi及びBの原子比を表し、0.1≦δ≦0.5を満たす。)で表される組成を有するのが好ましい。δが0.1未満では脱炭層が形成されてfcc構造の改質層が得られない。δが0.5を超えるとfcc構造の改質層が得られない。δは0.10〜0.3であるのがさらに好ましい。
図1に示すように、アーク放電式蒸発源13,27はそれぞれ改質層若しくはa層形成用のTiB合金からなるターゲット10、及び基材側単層部等形成用のAlCrB合金またはAlCrBC合金からなるターゲット18を備える。例えば、ターゲット10若しくはターゲット18に、アーク電流として直流電流若しくはパルス電流を通電する。図示していないが、アーク放電式蒸発源13、27に磁場発生手段(電磁石及び/又は永久磁石とヨークとからなる構造体)を設け、基材7の近傍に数十G(例えば10〜50G)の磁場分布を形成するのが好ましい。
図1に示すように、基材7にバイアス電源3からバイアス電圧を印加する。
本実施形態のイオンボンバードの条件、及び硬質皮膜の成膜条件を工程ごとに以下に詳述するが、特に限定されるものではない。
図1に示すAI装置の保持具8上に基材7をセットした後、減圧容器25内を1〜5×10−2Pa(例えば1.5×10−2Pa)に保持しながら、ヒーター(図示せず)により基材7を250〜650℃の温度に加熱する。図1では円柱体で示しているが、基材7はソリッドタイプのエンドミルまたはインサート等の種々の形状を取り得る。基材7は、例えばWC基超硬合金からなる。基材7を加熱して昇温した後、アルゴンガスを減圧容器25内に導入して0.5〜10Pa(例えば2Pa)のアルゴンガス雰囲気とする。この状態で基材7にバイアス電源3により−250〜−150Vの直流バイアス電圧またはパルスバイアス電圧を印加して基材7の表面をアルゴンイオンによりボンバードしてクリーニングする。
基材7への改質層の形成は、TiB合金のターゲット10を用いた基材7へのイオンボンバードにより行う。基材7のクリーニング後に、減圧容器25内を流量が30〜150sccmのアルゴンガス雰囲気とする。アーク放電式蒸発源13に取り付けたTiB合金のターゲット10の表面にアーク放電用電源11から50〜100Aのアーク電流(直流電流)を通電する。基材7を450〜750℃の温度に加熱するとともに、バイアス電源3から基材7に−1000〜−600Vの直流バイアス電圧を印加する。TiB合金のターゲット10を用いたイオンボンバードにより、Tiイオン及びBイオンが基材7に照射される。
(1) 基材側単層部の成膜
基材7の上、又は改質層を形成した場合は改質層の上に、本実施形態の基材側単層部を形成する。この際、窒素ガスを使用し、アーク放電式蒸発源27に取り付けたAlCrB合金またはAlCrBC合金からなるターゲット18の表面にアーク放電用電源12からアーク電流を通電する。同時に、下記温度に制御した基材7にバイアス電源3から直流バイアス電圧またはユニポーラパルスバイアス電圧を印加する。
本実施形態の基材側単層部の成膜時の基材温度を400〜550℃にする。基材温度が400℃未満では基材側単層部が十分に結晶化しないため、基材側単層部が十分な潤滑性及び耐摩耗性を有しない。また、残留応力の増加により皮膜剥離の原因となる。一方、基材温度が550℃超では基材側単層部の結晶粒の微細化が過度に促進されて潤滑性及び耐摩耗性が損なわれる。基材温度は480〜540℃が好ましい。
本実施形態の基材側単層部の成膜ガスとして窒素ガスを使用する。窒素ガスの圧力(全圧)は2.7〜3.3Paにする。窒素ガスの圧力が2.7Pa未満では、基材側単層部の窒化が不十分になり、窒化されない異相の存在により被覆切削工具の短寿命化を招くほか、基材側単層部の酸素含有量が過多になる。一方、窒素ガスの圧力が3.3Pa超では、基材側単層部の酸素含有量が過少になり、軟化を招く。窒素ガスの圧力は、2.8〜3.2Paにするのが好ましく、2.9〜3.1Paにするのがさらに好ましい。
窒素ガスの流量は750〜900sccmにするのが好ましい。窒素ガスの流量が750sccm未満及び900sccm超ではいずれも上記窒素ガスの圧力(全圧)を2.7〜3.3Paに調整するのが困難になる。窒素ガスの流量は770〜880sccmにするのがさらに好ましい。
本実施形態の基材側単層部を形成するために、基材に直流又はユニポーラパルスのバイアス電圧を印加するのが好ましい。バイアス電圧は−160〜−100Vにするのが好ましい。バイアス電圧が−160V未満ではB含有量が著しく低下する。一方、バイアス電圧が−100V超では被覆切削工具が短寿命になる。バイアス電圧は−150〜−110Vにするのがさらに好ましい。
基材側単層部の成膜時のドロップレットを抑制するために、ターゲット18に通電するアーク電流(直流電流)は150〜250Aにするのが好ましい。アーク電流が、150A未満ではアーク放電が不安定になり、250A超ではドロップレットが顕著に増加して基材側単層部の耐摩耗性が悪化する。アーク電流は160〜240Aにするのがさらに好ましい。
基材側単層部の上に、本実施形態の積層部を形成する。積層部を最外層にしても良い。具体的には、基材側単層部の成膜を継続しつつ、ターゲット18(AlCrB合金またはAlCrBC合金)に加えてターゲット10(TiB合金)にアーク電流を通電することにより、a層とb層とが交互に堆積された本実施形態の積層部を形成する。積層部特有の成膜条件は以下の(i)、(ii)のみであり、その他は基材側単層部の成膜条件と同一である。
(i)基材に印加するバイアス電圧を−140〜−80Vにするのが好ましい。積層部の成膜時に基材に印加するバイアス電圧を基材側単層部のバイアス電圧より正電圧側にシフト(このシフトは5〜30Vが好ましい)することにより、積層部のb層の組成が基材側単層部及び表面側単層部の組成に比較してAlリッチになる。この構造により、高性能で長寿命の被覆切削工具を得られる。バイアス電圧が、−140V未満ではB含有量が大きく低下し、−80V超では被覆切削工具が短寿命になる。バイアス電圧のさらに好ましい範囲は−130〜−90Vである。
(ii)積層部の成膜時に、ターゲット18及びターゲット10に同時にアーク電流を通電するのが実用的である。
積層部の上に、必要に応じて本実施形態の表面側単層部を形成する。例えば、成膜時間を調整して、表面側単層部と基材側単層部との膜厚比t3/t1を0.1〜1.5に設定するのが好ましい。これ以外は上記基材側単層部の成膜条件と同一である。
積層部または表面側単層部を最外層にしても良いが、必要に応じて積層部または表面側単層部の上に、例えば公知の硬質皮膜を少なくとも一層設けても良い。公知の硬質皮膜として、例えば(TiAl)N、(TiAlCr)N、(TiAlNb)N、(TiAlW)N、(TiSi)N、(TiB)N、TiCN、Al2O3、Cr2O3、(AlCr)N、及び(AlCrSi)Nからなる群から選ばれた少なくとも一層の硬質皮膜が例示される。
(1) 基材のクリーニング
8.0質量%のCoを含有し、残部がWC及び不可避的不純物からなる組成を有するWC基超硬合金製の仕上げミーリングインサート基材(図13に示す三菱日ツール株式会社製のZDFG300−SC)、及び物性測定用インサート基材(三菱日立ツール株式会社製のSNMN120408)を、図1に示すAI装置の保持具8上にセットし、真空排気と同時にヒーター(図示せず)で550℃まで加熱した。その後、アルゴンガスを500sccm(sccmは1atm及び25℃におけるcc/分、以後同様)の流量で導入して減圧容器25内の圧力を2.0Paに調整するとともに、前記各基材(以後、基材7ともいう)に−200Vの直流バイアス電圧を印加してアルゴンイオンのボンバードによるエッチングにより基材7のクリーニングを行った。
基材温度を550℃に保持したまま、アルゴンガスの流量を70sccmとし、組成がTi0.85B0.15(原子比)で表されるTiB合金のターゲット10をアーク放電用電源11が接続されたアーク放電式蒸発源13に配置した。バイアス電源3により基材7に−800Vの直流電圧を印加するとともに、ターゲット10の表面にアーク放電用電源11から75Aのアーク電流(直流電流)を流し、基材7の表面に平均厚さ5nmの改質層を形成した。改質層の平均厚さの測定は特許第5967329号に記載の方法で行った。
Al0.55Cr0.35B0.10(原子比)の金属元素及び半金属元素の組成、及び酸素含有量が2300μg/gのAlCrB焼結体合金からなるターゲット18を、図1のアーク放電用電源12が接続されたアーク放電式蒸発源27に配置した。基材7の温度を450℃に設定するとともに、窒素ガス雰囲気とした減圧容器25内の窒素ガスの全圧を3.0Paにし、及び窒素ガスの流量を800sccmに調整した。
バイアス電源3により基材7に−120Vの直流電圧を印加した以外は、上記基材側単層部の成膜条件を維持しながら、組成がTi0.85B0.15(原子比)で表されるTiB合金のターゲット10にアーク放電用電源11から200Aの直流アーク電流を流し、基材側単層部の上にa層とb層とを交互に50層ずつ堆積して全体の膜厚(t2)が1.0μmの積層部を形成した。こうして本実施例の被覆切削工具(ミーリングインサート)を作製した。
図3は、上記被覆切削工具の断面組織を示す走査型電子顕微鏡(SEM)写真(倍率:20,000倍)である。図3において、31はWC基超硬合金基材であり、33は基材側単層部であり、34は積層部である。改質層32、積層部34を構成するa層及びb層はいずれも図3が低倍率なので見えない。
図3の基材側単層部33及び積層部34においてそれぞれ左端及び右端の膜厚を測定し、測定値を算術平均して基材側単層部33の膜厚(t1)及び積層部34の全体の膜厚(t2)を得た。また図3の積層部34から透過型電子顕微鏡(TEM、日本電子株式会社製JEM−2100)の観察用試料を作製し、前記試料の積層部を当該TEMにより撮影した暗視野像(倍率1,600,000倍)を図10に示す。図10における積層部の上側から下側に向かって交互に積層したa層及びb層の中央位置において積層周期Tを測定し、測定値を算術平均してTを得た。Tは20nmであった。
上記被覆切削工具の断面における基材側単層部の厚さ方向の中心位置を電子プローブマイクロ分析装置EPMA(日本電子株式会社製JXA−8500F)により、加速電圧10kV、照射電流0.05A、及びビーム径0.5μmの条件で測定し、基材側単層部の組成を分析した。さらに、上記基材側単層部の厚さ方向の中心位置において基材側単層部のN元素及びO元素の定量分析を、TEM(JEM−2100)に搭載のエネルギー分散型X線分光器(EDS、NORAN社製UTW型Si(Li)半導体検出器、ビーム径:約1μm)を使用したEDS分析により行った。EPMA及びEDS分析の測定条件は他の例でも同様である。
上記被覆切削工具の断面における基材側単層部及び積層部から構成される硬質皮膜の部分の結晶構造を観察するために、X線回折装置(Panalytical社製のEMPYREAN)を使用し、当該硬質皮膜の表面に以下の条件でCuKα1線(波長λ:0.15405nm)を照射してX線回折パターン(図6)を得た。
管電圧:45kV
管電流:40mA
入射角ω:3°に固定
2θ:20〜90°
図10のTEMの暗視野像における白色部の位置4及び黒色部の位置5をそれぞれ、TEM(JEM−2100)に付属するUTW型Si(Li)半導体検出器によりEDS分析を行った。その結果、白色部の位置4(a層)の金属(半金属を含む)組成は(Ti0.90B0.01Al0.08Cr0.01)であった。また黒色部の位置5(b層)の金属(半金属を含む)組成は(Al0.57Cr0.33B0.02Ti0.08)であった。
図13及び図14に示すように、上記被覆切削工具(以後、インサート40Aともいう。)を、刃先交換式回転工具(三菱日立ツール株式会社製 ABPF30S32L150)50の工具本体46の先端部48に止めねじ47により装着した。刃先交換式回転工具50の刃径は30mmとした。刃先交換式回転工具50を使用して下記の転削条件で切削加工を行い、単位時間ごとにサンプリングしたインサート40Aのすくい面45a及び逃げ面45bを光学顕微鏡(倍率:100倍)で観察し、すくい面45a若しくは逃げ面45bのいずれかの摩耗幅またはチッピング幅が0.2mm以上になったときの加工時間を工具寿命と判定した。
加工方法: 連続転削加工
被削材: 120mm×250mmのS50C角材(HB220)
使用インサート: ZDFG300−SC(ミーリング用)
切削工具: ABPF30S32L150
切削速度: 380m/分
1刃当たりの送り量: 0.3mm/刃
軸方向の切り込み量: 0.3mm
半径方向の切り込み量:0.1mm
切削液: なし(乾式加工)
基材側単層部及び積層部の各成膜時間を調整することにより、膜厚t1を1.0μmとし、膜厚t2を0.8μmとして、膜厚比t1/t2を1.25に、及び積層周期Tを16nmに変化させた。前記以外は実施例1と同様にして本実施例の被覆切削工具(ミーリングインサート)を作製し、工具寿命等を測定した。
基材側単層部の成膜時間を調整することにより膜厚t1を5.0μmとし、膜厚比t1/t2を5に変化させた。前記以外は実施例1と同様にして本実施例の被覆切削工具(ミーリングインサート)を作製し、工具寿命等を測定した。
基材側単層部の成膜時間を調整して膜厚t1を1.2μmとした以外、実施例1と同様に、改質層を形成した基材の上に順に基材側単層部及び積層部を形成した。続いて、積層部の上に、成膜時間を調整した以外は基材側単層部と同じ成膜条件により表面側単層部として、(Al0.60Cr0.38B0.02)N0.994O0.006(原子比)の組成を有し、膜厚(t3)を1.2μmとした硬質皮膜を形成した。こうして、膜厚比t1/t2を1.2に、膜厚比t3/t2を1.2に、膜厚比(t1+t3)/t2を2.4に、及び膜厚比t3/t1を1に変化させた本実施例の被覆切削工具(ミーリングインサート)を作製し、工具寿命等を測定した。
基材側単層部の成膜時間を調整した以外は実施例1と同様にして、改質層を形成した基材の上に順に膜厚t1が4.0μmの基材側単層部、及び膜厚t2が1.0μmの積層部を形成した。続いて、積層部の上に、成膜時間を調整した以外は基材側単層部と同じ成膜条件により表面側単層部として、(Al0.60Cr0.38B0.02)N0.994O0.006(原子比)の組成を有し、膜厚(t3)を3.0μmとした硬質皮膜を形成した。こうして、膜厚比t1/t2を4に、膜厚比t3/t2を3に、膜厚比(t1+t3)/t2を7に、及び膜厚比t3/t1を0.75に変化させた本実施例の被覆切削工具(ミーリングインサート)を作製し、工具寿命等を測定した。
実施例1と同様にして、改質層を形成した基材の上に順に基材側単層部及び積層部を形成した。続いて、積層部の上に、成膜時間を調整した以外は基材側単層部と同じ成膜条件により表面側単層部として、(Al0.60Cr0.38B0.02)N0.995O0.005(原子比)の組成を有し、膜厚(t3)を0.5μmとした硬質皮膜を形成した。こうして、膜厚比t1/t2を2とし、膜厚比t3/t2を0.5とし、膜厚比(t1+t3)/t2を2.5とし、及び膜厚比t3/t1を0.25に変化させた本実施例の被覆切削工具(ミーリングインサート)を作製し、工具寿命等を測定した。
表1に示す各例のAlCrB合金ターゲット及びTiB合金ターゲットを使用し、表2に示す各例の基材側単層部の成膜条件を使用し、及び表3に示す各例の積層部のバイアス電圧を使用した以外、実施例1と同様にして各例の被覆切削工具(ミーリングインサート)を作製した。実施例7では実施例1に対してAlCrB合金ターゲットのAl(Cr)添加量を変化させた。実施例8及び9では実施例1に対してAlCrB合金ターゲットのB添加量を大きく変化させた。実施例10及び13では実施例1に対して窒素ガスの全圧を変化させた。実施例11では実施例9に対してバイアス電圧を変化させた。実施例12では実施例1に対してAlCrB合金ターゲットの含有酸素量を大きく増加させた。各例のAlCrB合金ターゲット及びTiB合金ターゲットの組成を表1に示す。各例の基材側単層部の成膜条件を表2に示す。各例の積層部のバイアス電圧を表3に示す。各例の基材側単層部の組成を表4に示す。各例のa層の金属(半金属を含む)元素の組成を表5に示し、各例のb層の金属(半金属を含む)元素の組成を表6にそれぞれ示す。各例の各膜厚t1及びt2、各膜厚比t1/t2及び各積層周期Tを表8に示す。基材側単層部及び積層部から構成される部分のX線回折の結果、各例のa層及びb層の電子回折の結果、及び各例の工具寿命を表9に示す。
表1に示すAlCrB合金ターゲットを使用し、成膜時における減圧容器25内の窒素ガス雰囲気の全圧を2Paとし、窒素ガスの流量を700sccmとし、及びDCバイアス電圧を−120Vとした以外、実施例1と同様にして、実施例1と同種の基材の上に基材側単層部のみを形成した本比較例の被覆切削工具(ミーリングインサート)を作製し、工具寿命等を測定した。図9に比較例1の被覆切削工具の基材側単層部のX線回折パターンを示す。
表1に示すAlCrB合金ターゲットを使用し、成膜時における減圧容器25内の窒素ガス雰囲気の全圧を3.5Paとし、窒素ガスの流量を900sccmとし、及びDCバイアス電圧を−120Vとした以外、実施例1と同様にして、実施例1と同種の基材の上に基材側単層部のみを形成した本比較例の被覆切削工具(ミーリングインサート)を作製し、工具寿命等を測定した。
表1に示す過少な酸素含有量(420μg/g)のAlCrB合金ターゲットを使用し、DCバイアス電圧を−120Vとした以外、実施例1と同様にして、実施例1と同種の基材の上に基材側単層部のみを形成した本比較例の被覆切削工具(ミーリングインサート)を作製し、工具寿命等を測定した。
表1に示す過多の酸素含有量(5390μg/g)のAlCrB合金ターゲットを使用し、DCバイアス電圧を−120Vとした以外、実施例1と同様に、実施例1と同種の基材の上に基材側単層部のみを形成した本比較例の被覆切削工具(ミーリングインサート)を作製し、工具寿命等を測定した。
WC基超硬合金基材にTiB合金ターゲットを用いた改質層を形成しない以外、実施例1と同様にして本実施例の被覆切削工具(ミーリングインサート)を作製し、工具寿命等を測定した。
表1に示す各例のAlCrBC合金ターゲットを使用した以外、実施例1と同様にして、本実施例の被覆切削工具(ミーリングインサート)を作製し、工具寿命等を測定した。
実施例1、4、6及び比較例1の各硬質皮膜の部分のX線回折パターン(図6〜9)からそれぞれ読み取った各比I(200)/I(111)及び各比I(311)/I(111)を表10に示す。
2:ガス導入部
3:バイアス電源
6:下部保持具(支柱)
7:基材
8:上部保持具
10、18:陰極物質(ターゲット)
11、12:アーク放電用電源
13、27:アーク放電式蒸発源
14:アーク放電式蒸発源固定用絶縁物
15:アーク点火機構軸受部
16:アーク点火機構
17:排気口
19:電極固定用絶縁物
20:電極
21:遮蔽板軸受け部
22:遮蔽板駆動部
23:遮蔽板
24:軸受け部
25:減圧容器
31:WC基超硬合金基材
32:改質層
33:基材側単層部
34:積層部
35:表面側単層部
40A:ミーリング用インサート(インサート基材)
45a:インサートのすくい面
46:工具本体
47:インサート用止めねじ
48:工具本体の先端部
50:被覆切削工具(刃先交換式回転工具)
a:a層
b:b層
Claims (9)
- 基材上に硬質皮膜を有する被覆切削工具であって、
前記硬質皮膜として基材側から順に基材側単層部及び積層部を有し、
前記基材側単層部は、金属(半金属を含む)元素の割合でAlが最も多く、AlとCrの合計の含有比率(原子比)が0.9以上であり、かつ少なくともBを含有する窒化物主体の硬質皮膜からなり、
前記積層部は、金属(半金属を含む)元素の割合でTiが最も多く、かつ少なくともBを含有する窒化物主体のa層と、金属(半金属を含む)元素の割合でAlが最も多く、かつ少なくともCrとBを含有する窒化物主体のb層とが交互に積層されてなり、
a層とb層との膜厚方向の積層周期は5〜100nmであり、
前記基材側単層部及び前記積層部から構成される部分のX線回折パターンはfccの単一構造からなり、
前記基材側単層部の膜厚は前記積層部の全体の膜厚よりも大きい、
ことを特徴とする被覆切削工具。 - 請求項1に記載の被覆切削工具において、
前記基材側単層部の膜厚(t1)は1.0〜5μmであり、前記積層部の全体の膜厚(t2)は0.5〜2.5μmであり、前記基材側単層部と前記積層部の全体との膜厚比(t1/t2)は1.0〜5であることを特徴とする被覆切削工具。 - 請求項1または2に記載の被覆切削工具において、
前記積層部の上に表面側単層部を有し、前記表面側単層部の膜厚(t3)は0.3〜5μmであり、
前記基材側単層部、前記積層部及び前記表面側単層部から構成される部分のX線回折パターンはfccの単一構造からなり、
前記表面側単層部は、金属(半金属を含む)元素の割合でAlが最も多く、AlとCrの合計の含有比率(原子比)が0.9以上であり、かつ少なくともBを含有する窒化物主体の硬質皮膜からなることを特徴とする被覆切削工具。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の被覆切削工具において、
前記X線回折パターンにおける(200)面のX線回折ピーク値I(200)と(111)面のX線回折ピーク値I(111)との比I(200)/I(111)は0.2〜0.37であることを特徴とする被覆切削工具。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載の被覆切削工具において、
前記X線回折パターンにおける(311)面のX線回折ピーク値I(311)と(111)面のX線回折ピーク値I(111)との比I(311)/I(111)は0.03〜0.15であることを特徴とする被覆切削工具。 - 請求項1に記載の被覆切削工具をアークイオンプレーティング法により製造する方法であって、
前記基材側単層部及び前記b層の形成用ターゲットは、不可避的不純物を除いて下記一般式:AlαCr1−α−β−γBβCγ(ただし、α、1−α−β−γ、β及びγはそれぞれAl、Cr、B及びCの原子比を表し、0.4≦α≦0.8、0.04≦β≦0.165、及び0≦γ≦0.035を満たす数字である。)で表される組成のAlCrB合金またはAlCrBC合金からなり、
前記a層の形成用ターゲットは、不可避的不純物を除いて下記一般式:Ti1−δBδ(ただし、1−δ及びδはそれぞれTi及びBの原子比を表し、0.1≦δ≦0.5を満たす数字である。)で表される組成のTiB合金からなり、
全圧2.7〜3.3Paとした窒素ガス雰囲気において、基材温度を400〜550℃とし、前記基材側単層部の形成時に基材に印加するバイアス電圧を−160〜−100Vとし、前記積層部の形成時に基材に印加するバイアス電圧を−140〜−80Vとすることを特徴とする被覆切削工具の製造方法。 - 請求項6に記載の被覆切削工具の製造方法において、
前記積層部の上に表面側単層部を形成する工程を有し、
前記表面側単層部の形成時に基材に印加するバイアス電圧を−160〜−100Vとすることを特徴とする被覆切削工具の製造方法。 - 請求項7に記載の被覆切削工具の製造方法において、
前記表面側単層部の形成用ターゲットとして前記基材側単層部と同じAlCrB合金またはAlCrBC合金を用いることを特徴とする被覆切削工具の製造方法。 - 請求項6〜8のいずれか1項に記載の被覆切削工具の製造方法において、
前記積層部の形成にあたり、前記a層の形成用ターゲット及び前記b層の形成用ターゲットに同時にアーク電流を通電することを特徴とする被覆切削工具の製造方法。
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