JP6928222B2 - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Description

この発明は、Ｔｉ基合金などの難削材の切削加工において、硬質被覆層がすぐれた潤滑性を備え、溶着、チッピング等の発生を抑制し、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮する表面被覆切削工具（以下、被覆工具という）に関するものである。

一般に、被覆工具として、各種の鋼や鋳鉄などの被削材の旋削加工や平削り加工にバイトの先端部に着脱自在に取り付けて用いられるスローアウエイチップ、前記被削材の穴あけ切削加工などに用いられるドリルやミニチュアドリル、前記被削材の面削加工や溝加工、肩加工などに用いられるエンドミル、前記被削材の歯形の歯切加工などに用いられるソリッドホブ、ピニオンカッタなどが知られている。
そして、被覆工具の切削性能改善を目的として、従来から、数多くの提案がなされている。

例えば、特許文献１に示すように、超硬合金または高速度工具鋼の表面に、ＡｌとＸ（Ｘ：Ｃｒ、Ｖ、Ｍｇの一種）の複合窒化物、複合炭化物、複合ホウ化物、複合炭窒化物、複合ホウ窒化物、複合炭ホウ化物または複合炭窒ホウ化物よりなり、ＡｌとＸの組成が、（Ａｌ_１−ｙＸ_ｙ）［但し、Ｘ：Ｃｒ、Ｖ、Ｍｇの一種０＜ｙ≦０．３］で示される組成からなる硬質皮膜を形成することにより、切削加工工具等の耐摩耗性を高めることが提案されており、例えば、ＡｌとＣｒの複合ホウ窒化物からなる硬質皮膜が、Ｓ４５Ｃ、ＳＫＤ１１の切削加工においてすぐれた耐摩耗性を示すことが開示されている。

また、特許文献２には、工具基体表面に、周期律表ＩＶａ、Ｖａ族元素、Ａｌ，Ｂ，Ｇａ及びこれら相互の合金又は固溶体の、窒化物、炭化物、炭窒化物及び酸化物からなる群から選ばれた少なくとも２種の化合物を交互に積層した多層膜について、少なくとも１種の化合物層にＧｅを添加し、多層膜のひずみ整合の安定化を図ることにより、硬度と耐摩耗性を高めた被覆工具が提案されている。

さらに、特許文献３には、耐酸化性と耐摩耗性に優れた硬質皮膜として、（Ａｌ_ａ，Ｍ_ｂ，Ｓｉ_ｃ，Ｂ_ｄ，Ｃｒ_{１−ａ−ｂ−ｃ−ｄ}）（Ｃ_１−ｅＮ_ｅ）からなる硬質皮膜（但し、ＭはＷ及び／又はＭｏ）であって、０．２５≦ａ≦０．６５、０．２０＜ｂ≦０．３０、０．０１≦ｃ＋ｄ≦０．２、０．５≦ｅ≦１（ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅはそれぞれＡｌ，Ｍ，Ｓｉ，Ｂ，Ｎの原子比を示す。）が提案されており、この硬質皮膜を表面に形成した切削工具は、高速切削や焼き入れ鋼など高硬度鋼の切削で優れた切削性能を発揮し、かつ長寿命であるとされている。

特開平９−４１１２７号公報 特開平１０−３０９６０５号公報 特許第５０６０７１４号公報

近年の切削加工装置のＦＡ化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴い、切削加工はますます高速化・高能率化する傾向にあるとともに、できるだけ多くの材種の被削材の切削加工が可能となるような汎用性のある切削工具が求められる傾向にある。
前記特許文献１〜３で提案されている従来被覆工具においては、これを、炭素鋼や合金鋼などの通常の切削条件での切削加工に用いた場合には、特段の問題は生じないが、Ｔｉ基合金などの難削材の切削加工に用いた場合には、切削時の発熱によって被削材および切粉は高温に加熱されて粘性が増大し、これに伴って、被覆工具の硬質被覆層表面に対する溶着性が一段と増すようになり、その結果、切刃部における溶着、チッピングの発生が急激に増加し、これが原因で比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。

そこで、本発明は、Ｔｉ基合金などの難削材の高熱発生をともなう切削加工において、溶着の発生とともにチッピングの発生を抑制し、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮する被覆工具を提供することを目的とする。

本発明者等は、上述の観点から、Ｔｉ基合金などの難削材の高能率切削加工条件で、硬質被覆層がすぐれた潤滑性を備え、これにより、すぐれた耐溶着性、耐チッピング性を発揮する被覆工具を開発すべく、硬質被覆層を構成する成分系に着目し鋭意研究を行った結果、次のような知見を得た。
炭化タングステン基超硬合金、炭窒化チタン基サーメット、立方晶窒化硼素焼結体あるいは高速度工具鋼等からなる工具基体の表面に、ＡｌとＣｒの複合窒化物層からなる硬質被覆層を設けた被覆工具は、高温硬さと耐酸化性を備えることから耐摩耗性にすぐれる被覆工具としてよく知られている。
本発明者らは、前記ＡｌとＣｒの複合窒化物層からなる硬質被覆層を被覆した被覆工具において、切削加工時の硬質被覆層の潤滑性を高め、被削材と硬質被覆層とが潤滑膜を介して接触するようにすることで、熱伝導率が低く、工具材料との化学親和性の高い被削材であるＴｉ基合金などの難削材への切削工具としての適用性を高めることができ、その結果、Ｔｉ基合金などの難削材の切削加工において、溶着、チッピング等の発生を防止することができるとともに、長期の使用にわたって、すぐれた耐摩耗性を発揮する被覆工具を得られることを見出した。

前記ＡｌとＣｒの複合窒化物層からなる硬質被覆層の潤滑性を高めるための具体的方策は、大略、次のとおりである。
まず、被削材であるＴｉ基合金への固溶度が低いＢを硬質被覆層構成成分として特定量含有させることにより、熱伝導率が低いＴｉ基合金の切削加工に際し、硬質被覆層が高温状態となって硬質被覆層表面が酸化した際、融点が約４５０℃の酸化硼素を形成し、これが切削加工時の発熱によって液化することで硬質被覆層表面に潤滑性を付与することができる。
さらに、硬質被覆層構成成分として特定量のＧｅと特定量のＷを含有させることによって、硬質被覆層が高温状態になった際に、前記酸化硼素に加えて、融点が約１１００℃の酸化ゲルマニウム、さらに、５５０℃以上で潤滑性を有するマグネリ相Ｗ_ｎＯ_３ｎ−１を生成し、さらにマグネリ相は６８０℃で融点となるため(G.Gassner et al.「Surface & Cortings Technology」201 (2006) 3335 - 3341参照)、これらが切削加工時の発熱によって液化することで硬質被覆層表面に潤滑性を付与することができる。
このように、硬質被覆層表面で、融点がそれぞれ異なる酸化物が低温から高温までの幅広い温度領域で液化することにより、硬質被覆層表面に潤滑性を付与することができる。

つまり、本発明の被覆工具は、ＡｌとＣｒの複合窒化物層からなる硬質被覆層において、硬質被覆層構成成分として、ＢとＧｅを含有すること、あるいは、さらにＷを含有することにより、熱伝導率が低く、工具材料との化学親和性の高い被削材であるＴｉ基合金などの難削材の高能率切削加工において、すぐれた潤滑性を付与することによって耐溶着性および耐チッピング性を向上させ、その結果、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮することができるのである。

本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「（１）炭化タングステン基超硬合金、炭窒化チタン基サーメット、立方晶窒化硼素焼結体および高速度工具鋼のいずれかからなる工具基体の表面に、硬質被覆層が設けられた表面被覆切削工具において、
前記硬質被覆層は、少なくとも、ＡｌとＣｒとＢとＷとＧｅの複合窒化物層を含み、
前記複合窒化物を、
組成式：（Ａｌ_ａＣｒ_{１−ａ−ｂ−ｃ−ｄ}Ｂ_ｂＷ_ｃＧｅ_ｄ）Ｎ
で表したとき、０．４≦ａ≦０．８５、０．００５≦ｂ≦０．１、０．００５≦ｃ≦０．１、０．００５≦ｄ≦０．０５（ただし、ａ、ｂ、ｃ、ｄは、いずれも原子比）を満足することを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）前記組成式：（Ａｌ_ａＣｒ_{１−ａ−ｂ−ｃ−ｄ}Ｂ_ｂＷ_ｃＧｅ_ｄ）ＮにおけるＡｌの含有割合ａは、０．５５≦ａ≦０．６８を満足することを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。

本発明について、以下に詳細を説明する。

ＡｌとＣｒとＢとＷとＧｅの複合窒化物層の平均層厚：
本発明の硬質被覆層は、少なくとも、ＡｌとＣｒとＢとＷとＧｅの複合窒化物（以下、「（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ｇｅ）Ｎ」で示す場合がある）層を含むが、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ｇｅ）Ｎ層の平均層厚が０．５μｍ未満の場合には、長期の使用にわたって十分な耐摩耗性を発揮することができず、一方、平均層厚が１５μｍを超えると、チッピング、欠損等の異常損傷を発生する恐れがあるので、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ｇｅ）Ｎ層の平均層厚は、０．５〜１０μｍとすることが望ましい。

（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ｇｅ）Ｎ層の成分組成：
（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ｇｅ）Ｎ層を構成する成分の組成を、
組成式：（Ａｌ_ａＣｒ_{１−ａ−ｂ−ｃ−ｄ}Ｂ_ｂＷ_ｃＧｅ_ｄ）Ｎ
で表したとき、０．４≦ａ≦０．８５（好ましくは、０．５５≦ａ≦０．６８）、０．００５≦ｂ≦０．１、０．００５≦ｃ≦０．１、０．００５≦ｄ≦０．０５（ただし、ａ、ｂ、ｃ、ｄは、いずれも原子比）を満足することが必要であるが、これは次の理由による。

（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ｇｅ）Ｎ層の主要構成成分であるＡｌ成分には、硬質被覆層における高温硬さを向上させる作用があり、特に、Ｃｒ成分を同時に含有する場合には、Ｃｒ成分が高温強度を向上させるとともに、ＣｒとＡｌの共存含有によって耐熱性を向上させる作用がある。
しかし、Ａｌ成分の含有割合ａが０．４未満では、Ａｌの含有割合が少なくなり過ぎて、所望のすぐれた高温硬さおよび耐熱性を確保することができず、一方、Ａｌ成分の含有割合ａが０．８５を超えると、Ｃｒの含有割合が少なくなりすぎて急激に高温強度が低下し、切刃にチッピング（微小欠け）などが発生し易くなるとともに、六方晶構造の相が生成され高温硬さも低下することから、Ａｌ成分の含有割合ａは、０．４≦ａ≦０．８５と定める。
なお、耐溶着性、耐チッピング性を維持しつつ、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮するためには、０．５５≦ａ≦０．６８を満足することが好ましい。

（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ｇｅ）Ｎ層中のＢ成分、Ｇｅ成分およびＷ成分は、切削加工時の高熱発生により、いずれも酸化物を形成し、この酸化物が液化することにより硬質被覆層の潤滑性向上に寄与する。
そして、前記酸化物は、それぞれが異なる温度で液化し（酸化硼素は約４５０℃、酸化ゲルマニウムは約１１００℃、酸化タングステンは約６８０℃でそれぞれ液化する）、また、５５０℃以上でＷの酸化物は潤滑性を有するマグネリ相を生成するため、切削加工に際して、低温から高温までの幅広い温度領域において、硬質被覆層表面に潤滑性を付与することができる。
ただ、Ｂ成分の含有割合ｂ及びＧｅの含有割合ｄが０．００５未満では、十分な酸化物が形成されないため潤滑性向上効果が十分ではない。
一方、Ｂ成分の含有割合ｂが０．１を超える場合には、脆化するため、チッピングが発生しやすくなる。
また、Ｗ成分の含有割合ｃが、０．００５未満では、タングステン酸化物であるマグネリ相の生成が十分でないため、硬質被覆層の潤滑性向上効果が十分でなく、一方、Ｗ成分の含有割合ｃが０．１を超えると、硬質被覆層の硬さは低下し、耐摩耗性が低下することから、Ｗ成分の含有割合ｃは、０．００５≦ｃ≦０．１とする。
さらに、Ｇｅ成分の含有割合ｄが０．００５未満では、酸化ゲルマニウムの生成による潤滑効果が少なく、一方、Ｇｅ成分の含有割合ｄが０．０５を超える場合には、脆化するため、チッピングが発生しやすくなる。
よって、Ｂ成分の含有割合ｂ、Ｗ成分の含有割合ｃ及びＧｅの含有割合ｄは、それぞれ、０．００５≦ｂ≦０．１、０．００５≦ｃ≦０．１、０．００５≦ｄ≦０．０５とする。

前記（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ｇｅ）Ｎ層において、該層を構成する成分の総量に占めるＮ成分の含有割合（原子比）は、化学量論比である０．５０には限定されず、これと同等な効果が得られる範囲、例えば、０．４０以上０．６０以下の範囲であればよい。

前記した本発明の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ｇｅ）Ｎ層は、例えば、物理蒸着法の一種である図１に示すアークイオンプレーティング（以下、「ＡＩＰ」で示す。）装置を用いて成膜することができる。
（ａ）まず、炭化タングステン基超硬合金、炭窒化チタン基サーメット、立方晶窒化硼素焼結体または高速度工具鋼のいずれかで構成された工具基体を洗浄・乾燥した状態で、ＡＩＰ装置内の回転テーブル上の中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に外周部にそって装着する。
（ｂ）装置内を排気して１０^−２Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を５００℃に加熱した後、０．５〜２．０ＰａのＡｒガス雰囲気に設定し、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−２００〜−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、もって工具基体表面をアルゴンイオンによって５〜３０分間ボンバード処理する。
（ｃ）ついで、装置内を１０^−２Ｐａ以下の真空に保持しながら、また、ヒーターで装置内を、６２０〜６５０℃の温度に維持する。次いで、装置内に配置した所定組成のＡｌ−Ｃｒ−Ｂ−Ｗ−Ｇｅ合金からなるカソード電極（蒸発源）とアノード電極の間に、例えば、電流：１１０Ａの条件でアーク放電を発生させ、同時に装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して、例えば、３Ｐａの反応雰囲気とし、一方、前記工具基体には、例えば、−５０Ｖのバイアス電圧を印加した条件で蒸着することにより、前記工具基体の表面に、目標組成、目標平均層厚の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ｇｅ）Ｎ層を形成する。
上記工程（ａ）〜（ｃ）により、本発明の被覆工具を作製することができる。

本発明の被覆工具は、熱伝導率が低く、かつ、工具材料との化学親和性の高い被削材であるＴｉ基合金などの難削材の高能率切削加工に供した場合、硬質被覆層の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ｇｅ）Ｎ層が、低温から高温までの幅広い温度領域において、すぐれた潤滑性を有することから、溶着、チッピング等の発生を抑制することができるとともに、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮する。

本発明被覆工具の硬質被覆層を成膜するアークイオンプレーティング装置の概略説明図を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図を示す。

つぎに、本発明の被覆工具を実施例により具体的に説明する。
以下の実施例では、本発明の被覆工具をフライス加工で使用した場合について説明するが、旋削加工、ドリル加工等で用いることを何ら排除するものではない。
また、工具基体としては、ＷＣ基超硬合金を用いた場合について説明するが、ＴｉＣＮ基サーメット、立方晶窒化硼素焼結体、高速度工具鋼を工具基体として用いた場合であっても同様の効果が得られる。

原料粉末として、いずれも１〜３μｍの平均粒径を有するＷＣ粉末、Ｃｒ₃Ｃ₂粉末およびＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を、表１に示される配合組成に配合し、さらにワックスを加えてアセトン中で２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を５Ｐａの真空中、１３７０〜１４７０℃の範囲内の所定の温度に１時間保持の条件で真空焼結し、焼結後、ＩＳＯ規格ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＥＮのインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体を製造した。

（ａ）前記工具基体を、ＡＩＰ装置の回転テーブル上の中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に外周部にそって装着し、ＡＩＰ装置内に所定組成のＡｌ−Ｃｒ−Ｂ−Ｗ−Ｇｅ合金からなるターゲット（カソード電極）を配置し、
（ｂ）まず、装置内を排気して真空に保持しながら、ヒーターで工具基体を５００℃に加熱した後、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加して、工具基体表面をアルゴンイオンによって５〜３０分間ボンバード洗浄し、
（ｃ）ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して表２に示す窒素圧とし、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体の温度を表２に示す温度範囲内に維持するとともに表２に示す直流バイアス電圧を印加し、かつ前記Ａｌ−Ｃｒ−Ｂ−Ｗ−Ｇｅ合金ターゲットとアノード電極との間に表２に示すアーク電流を流してアーク放電を発生させて（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ｇｅ）Ｎ層を蒸着形成することにより、表３に示す硬質被覆層を備えた本発明被覆工具（以下、本発明工具という）１〜７を作製した。

前記本発明工具１〜７の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ｇｅ）Ｎ層について、工具基体表面に垂直な各層断面の組成分析を、透過型電子顕微鏡−エネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＴＥＭ−ＥＤＳ）を用いて行った。
即ち、本発明工具１〜７の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ｇｅ）Ｎ層について、工具基体表面と平行方向に２０μｍの観察範囲において、上部層縦断面に対して０．０１μｍ以下の空間分解能の元素マッピングを行い、被覆した（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ｇｅ）Ｎ層の組成を測定した。
さらに、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ｇｅ）Ｎ層の平均層厚を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて測定した。
表３に、これらの測定値をそれぞれ示す。

次に、比較の目的で、前記ＡＩＰ装置を用いて、工具基体の表面に、実施例１の前記工程（ａ）〜（ｃ）と同様にして、表４に示す条件で蒸着形成することにより、表５に示す組成および目標平均層厚の（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ｇｅ）Ｎ層を備えた比較被覆工具（以下、比較工具という）１〜８を作製した。

比較工具１〜８についても、実施例１の場合と同様な方法で、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ｇｅ）Ｎ層の組成分析を行うとともに、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ｇｅ）Ｎ層の平均層厚を測定した。
表５に、これらの値をそれぞれ示す。

ついで、前記本発明工具１〜７および比較工具１〜８を、断続切削の一種である湿式正面フライス、センターカット切削加工試験に供し、切れ刃の損傷状況を観察した。
切削試験：湿式正面フライス、センターカット切削加工、
被削材：ＪＩＳ・Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金(６０種) ブロック材
幅６０ｍｍ、長さ２５０ｍｍ、
カッタ径：８５ｍｍ、
切削速度：７５ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：３ｍｍ、
送り：０．３５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１２分、
表６に、前記切削試験の結果を示す。

表６に示される結果から、本発明工具１〜７は、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ，Ｗ，Ｇｅ）Ｎ層からなる硬質被覆層がすぐれた潤滑性を備えるため、Ｔｉ基合金の高能率切削においてすぐれた耐溶着性、耐チッピング性を示すとともに、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮する。
これに対して、比較工具１〜８は、硬質被覆層の潤滑性が十分でないため、溶着、チッピング発生によって、工具寿命が短命である。

本発明の被覆工具は、Ｔｉ基合金等の難削材の高能率切削加工においてすぐれた耐溶着性、耐チッピング性を発揮し、使用寿命の延命化を可能とするものであるが、他の被削材の切削加工、他の条件での切削加工で使用することも勿論可能である。

Claims (2)

1. 炭化タングステン基超硬合金、炭窒化チタン基サーメット、立方晶窒化硼素焼結体および高速度工具鋼のいずれかからなる工具基体の表面に、硬質被覆層が設けられた表面被覆切削工具において、
   前記硬質被覆層は、少なくとも、ＡｌとＣｒとＢとＷとＧｅの複合窒化物層を含み、
   前記複合窒化物を、
   組成式：（Ａｌ_ａＣｒ_{１−ａ−ｂ−ｃ−ｄ}Ｂ_ｂＷ_ｃＧｅ_ｄ）Ｎ
   で表したとき、０．４≦ａ≦０．８５、０．００５≦ｂ≦０．１、０．００５≦ｃ≦０．１、０．００５≦ｄ≦０．０５（ただし、ａ、ｂ、ｃ、ｄは、いずれも原子比）を満足することを特徴とする表面被覆切削工具。
2. 前記組成式：（Ａｌ_ａＣｒ_{１−ａ−ｂ−ｃ−ｄ}Ｂ_ｂＷ_ｃＧｅ_ｄ）ＮにおけるＡｌの含有割合を表すａは、０．５５≦ａ≦０．６８を満足することを特徴とする請求項１に記載の表面被覆切削工具。

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