JP7031791B2 - 被覆切削工具 - Google Patents
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Description
本願は、2019年5月9日に、日本に出願された特願2019-089303号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
基材と、前記基材上に形成される硬質皮膜とを備え、
前記硬質皮膜は、前記基材の上に配置される、窒化物または炭窒化物からなるb層と、
前記b層の上に配置され、金属(半金属を含む)元素の総量に対して、アルミニウム(Al)を55原子%以上、次いでクロム(Cr)の含有比率が多く、更に、少なくともホウ素(B)を含有する窒化物または炭窒化物のc1層と、金属(半金属を含む)元素の総量に対して、アルミニウム(Al)を55原子%以上、次いでチタン(Ti)を多く含有する窒化物または炭窒化物のc2層と、がそれぞれ50nm以下の膜厚で交互に積層した積層皮膜であるc層と、
を有し、
前記c層は、透過型電子顕微鏡の制限視野回折パターンから求められる強度プロファイルにおいて、六方最密充填構造のAlNの(010)面に起因するピーク強度をIhとし、面心立方格子構造の、AlNの(111)面、TiNの(111)面、CrNの(111)面、AlNの(200)面、TiNの(200)面、CrNの(200)面、AlNの(220)面、TiNの(220)面、およびCrNの(220)面に起因するピーク強度と、六方最密充填構造の、AlNの(010)面、AlNの(011)面、およびAlNの(110)面に起因するピーク強度と、の合計をIsとした場合、Ih×100/Is≦15の関係を満たす被覆切削工具である。
また、前記硬質皮膜の総膜厚に対して、前記c層が最も厚い膜であることが好ましい。
また、前記c層は、柱状粒子から構成されており、前記柱状粒子の平均幅は90nm以下であることが好ましい。
本実施形態の被覆切削工具においては、基材は特段限定されないが、強度と靭性に優れるWC-Co基超硬合金を基材とすることが好ましい。
本実施形態に係るb層は、基材の上に配置される窒化物または炭窒化物である。b層は、基材と積層皮膜であるc層との密着性を高める下地層である。基材の上に配置されるb層が窒化物または炭窒化物であることで、基材と硬質皮膜の密着性が優れる被覆切削工具となる。b層は、金属(半金属を含む。以下、同様。)元素の総量に対して、Alを55原子%以上で含有することが好ましい。更には、b層のAlは60原子%以上が好ましい。b層をAlリッチとすることで、後述するAlリッチの積層皮膜からなるc層との組成差が小さくなり密着性が向上する。また、b層をAlリッチとすることで、硬質皮膜の全体で耐熱性が高まる。更には、b層は、耐熱性と耐摩耗性に優れる窒化物であることが好ましい。但し、b層のAlの含有比率が大きくなり過ぎると脆弱なhcp構造のAlNが多くなる。そのため、b層のAlは75原子%以下が好ましい。また、積層皮膜であるc層との密着性をより高めるため、b層は後述するc1層またはc2層が含有する金属元素を含有することが好ましい。また、b層は、X線回折または透過型電子顕微鏡の制限視野回折パターンから求められる強度プロファイルにおいて、fcc構造に起因するピーク強度が最大を示すことが好ましい。これにより、b層の上に設けられるAlリッチの積層皮膜であるc層において、c層のミクロ組織に含有される脆弱なhcp構造のAlNが低減されることにより、被覆切削工具の耐久性が向上する。b層は窒化物または炭窒化物であれば、組成が異なる複数の層から構成されてもよい。
本実施形態に係るc層は、上述した下地層であるb層と、後述するd層との間に設けられるAlリッチな積層皮膜である。
具体的には、c層は、金属(半金属を含む)元素の総量に対して、アルミニウム(Al)を55原子%以上、次いでクロム(Cr)の含有比率が多く、更に、少なくともホウ素(B)を含有する窒化物または炭窒化物のc1層と、金属(半金属を含む)元素の総量に対して、アルミニウム(Al)を55原子%以上、次いでチタン(Ti)を多く含有する窒化物または炭窒化物のc2層と、がそれぞれ50nm以下の膜厚で交互に積層した積層皮膜である。
更には、c層は、金属元素の総量に対して、アルミニウム(Al)を55原子%以上、クロム(Cr)を20原子%以上、ホウ素(B)を1原子%以上、を含有する窒化物または炭窒化物のc1層と、金属部分の総量に対して、アルミニウム(Al)を55原子%以上、チタン(Ti)を20原子%以上、を含有する窒化物または炭窒化物のc2層とが50nm以下の膜厚で交互に積層した積層皮膜であることが好ましい。組成系が互いに異なるAlリッチなAlCrN系の硬質皮膜とAlリッチなAlTiN系の硬質皮膜とがナノレベルで交互に積層されることで、皮膜破壊の進展が抑制され易くなる。また、c層中にhcp構造のAlNを含有し難くなり、硬質皮膜の全体で耐熱性が高まり被覆切削工具の耐久性が向上する。
c層の平均組成は、Alの含有比率が55原子%以上75原子%以下であることが好ましく、Alの含有比率が73原子%以下であることがより好ましい。更には、c層の平均組成は、Alの含有比率が60原子%以上70原子%以下であることが好ましい。また、c層の平均組成は、CrとTiの合計の含有率が20原子%以上40原子%以下であることが好ましい。また、c層の平均組成は、Bの含有比率が0.5原子%以上5原子%以下であることが好ましい。更には、c層の平均組成は、Bの含有比率が1原子%以上3原子%以下であることが好ましい。なお、c層の平均組成は、500nm×500nm以上の範囲を測定して算出すればよい。
更には、c層はミクロ組織に含有されるhcp構造のAlNが少ないことが必要である。本発明者は、c層の評価においてX線回折ではhcp構造のAlNのピーク強度が確認されない場合でも、ミクロ組織には脆弱なhcp構造のAlNを含有する場合があることを知見した。そして、本発明者は、c層のミクロ組織に含まれる脆弱なhcp構造のAlNを低減することで、被覆切削工具の耐久性が向上することを確認した。
Is:fcc構造の、AlNの(111)面、TiNの(111)面、CrNの(111)面、AlNの(200)面、TiNの(200)面、CrNの(200)面、AlNの(220)面、TiNの(220)面、およびCrNの(220)面に起因するピーク強度と、hcp構造の、AlNの(010)面、AlNの(011)面、およびAlNの(110)面に起因するピーク強度と、の合計。
c1層は、金属(半金属を含む)元素の総量に対して、アルミニウム(Al)を55原子%以上、次いでクロム(Cr)の含有比率が多く、更に、少なくともホウ素(B)を含有する窒化物または炭窒化物である。更には、c1層は、金属元素の総量に対して、アルミニウム(Al)を55原子%以上、クロム(Cr)を20原子%以上、ホウ素(B)を1原子%以上、を含有する窒化物または炭窒化物であることが好ましい。
AlとCrをベースとする窒化物または炭窒化物は耐熱性に優れる膜種である。特にAlの含有比率が大きくなると硬質皮膜の耐熱性が向上する傾向にあり、被覆切削工具の耐久性が向上する。更には、c1層は、耐熱性と耐摩耗性に優れる窒化物であることが好ましい。硬質皮膜に高い耐熱性を付与するために、c1層はAlを55原子%以上で含有する。更にはc1層のAl含有比率は60原子%以上が好ましい。但し、Alの含有比率が大きくなり過ぎると、ミクロ組織に含有される脆弱なhcp構造のAlNが多くなるため、硬質皮膜の耐久性が低下する。そのため、c1層のAl含有比率は75原子%以下、あるいは73原子%以下、更には70原子%以下が好ましい。
但し、c1層がAlとCrとB以外の金属元素を多く含有するとAlCrN系の硬質皮膜としての基礎特性が損なわれ被覆切削工具の耐久性が低下する。そのため、c1層はAlとCrとB以外の金属元素の合計が、金属(半金属を含む)元素の総量に対して、25原子%以下、更には20原子%以下、更には15原子%以下であることが好ましい。
c2層は、金属(半金属を含む)元素の総量に対して、アルミニウム(Al)を55原子%以上、次いでチタン(Ti)を多く含有する窒化物または炭窒化物である。更には、c2層は、金属元素の総量に対して、アルミニウム(Al)を55原子%以上、チタン(Ti)を20原子%以上、で含有する窒化物または炭窒化物であることが好ましい。AlとTiを主体とする窒化物または炭窒化物は、耐摩耗性および耐熱性に優れる膜種である。特に、Alの含有比率が大きくなると硬質皮膜の耐熱性が向上する傾向にあり、被覆切削工具の耐久性が向上する。更には、耐熱性と耐摩耗性に優れる窒化物であることが好ましい。硬質皮膜に高い耐熱性を付与するために、c2層はAlを55原子%以上で含有する。更にはc2層のAlは60原子%以上が好ましい。但し、Alの含有比率が大きくなり過ぎると、hcp構造のAlNが多くなるため、硬質皮膜の耐久性が低下する。そのため、c2層のAlの含有比率は75原子%以下、あるいは73原子%以下、更には70原子%以下が好ましい。
但し、c2層がAlとTi以外の金属元素を多く含有すると、AlTiN系の硬質皮膜としての基礎特性が損なわれ被覆切削工具の耐久性が低下する。そのため、c2層はAlとTi以外の金属元素の合計が、金属(半金属を含む)元素の総量に対して、25原子%以下、更には20原子%以下、更には15原子%以下であることが好ましい。
このような皮膜構造とすることで、下地層であるb層と積層皮膜であるc層との密着性が高まる傾向になり、工具形状や使用環境によっては、被覆切削工具の耐久性がより向上する場合もある。
各層の最適な膜厚は、工具の種類、工具径および被削材等により異なるが、何れもc層が最も厚い膜となることで優れた耐久性を実現し易い。そして、b層、c層、d層の合計の膜厚を100%とした場合、c層の膜厚比が50%以上、更には60%以上、更には70%以上が好ましい。但し、c層の膜厚比が大きくなり過ぎると、b層とd層の膜厚が小さくなるため、密着性や耐摩耗性が低下する。そのため、c層の膜厚比は90%以下、更には85%以下が好ましい。
b層の膜厚比は5%以上が好ましい。d層の膜厚比は10%以上が好ましい。
本実施形態では、積層皮膜であるc層の上層に、必要に応じて、保護皮膜としてd層を設けてもよい。例えば、d層として、耐摩耗性に優れる膜種であるTiとSiを含有する窒化物または炭窒化物を設けても良い。また、d層として、AlCr系やAlTi系の窒化物または炭窒化物を設けても良い。また、d層として、TiSi系、AlCr系およびAlTi系以外の組成系の窒化物や炭窒化物を設けても良い。また、d層として、窒化物や炭窒化物以外の金属、炭化物あるいはホウ化物等を設けても良い。
本実施形態では、必要に応じて、基材と下地層であるb層との間に、ナノビーム回折パターンがWCの結晶構造に指数付けされるa層を有してもよい。a層は金属イオンボンバードにより基材の表面に形成される。a層は金属イオンボンバードに用いた金属元素が拡散して形成される層であるため、WC-Co基超硬合金を基材とする場合、金属元素の総量でW(タングステン)を最も多く含有しており、次いで金属イオンボンバードに用いた金属元素を含有する。このようなa層を有することで、基材とその上に設ける下地層との密着性が著しく改善する傾向にある。
但し、工具径が小さくなると、刃先が鋭角になり易いスクエアエンドミルやラジアスエンドミルにおいては、金属イオンボンバードにより、刃先が溶損する場合があり、刃先稜線が破壊され易くなる。そのため、a層は、金属イオンボンバードにより刃先稜線が破壊され難い、鋭角な刃先が形成されないボールエンドミルに設けることが好ましい。a層の膜厚が薄すぎる場合や、厚すぎる場合には密着性の改善効果が得られない。そのため、a層の膜厚は1nm以上10nm以下が好ましい。
a層はTiを10原子%以上30原子%以下で含有することが好ましい。
本実施形態に係る硬質皮膜は、ターゲットのイオン化率が高いアークイオンプレーティング法で被覆することが好ましい。また、ターゲットのイオン化率が高い高出力スパッタリング法で被覆してもよい。そして、Alリッチの積層皮膜について、結晶性を高めてミクロ組織に含有されるhcp構造のAlNを低減するために、ターゲット中心付近の垂直方向における磁束密度が10mT以上のカソードを用いることが好ましい。
成膜には、アークイオンプレーティング法を利用した成膜装置を用いた。この成膜装置は、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備えている。カソードとしては、ターゲットの外周にコイル磁石が配備されたカソードを1基(以下、「C1」という。)と、ターゲットの背面および外周に永久磁石が配備され、ターゲット表面に垂直方向の磁束密度を有し、ターゲット中央付近における垂直方向の磁束密度が14mTであるカソードを3基(以下、「C2、C3、C4」という。)と、が搭載されている。
C1~C4は基材が配置される領域の周囲に約90°間隔に配置されており、C1とC4、C2とC3とが対向するように設けられている。
組成:WC(bal.)-Co(8質量%)-Cr(0.5質量%)-V(0.3質量%)
硬度:94.0HRA
刃径:1mm、刃数:2枚
その後、真空容器内にArガスを導入し、容器内圧を0.67Paとした。その後、フィラメント電極に35Aの電流を供給し、基材に-200Vの負圧のバイアス電圧を印加し、Arボンバードを15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、C1に120Aのアーク電流を供給し、基材に-800Vの負圧のバイアス電圧を印加し、Tiボンバード処理を15分実施した。
その後、基材の設定温度を480℃として、真空容器内に窒素ガスを導入して、炉内圧力を3.2Paとした。
b層の被覆では、何れの試料も基材に印加する負のバイアス電圧を-120V、C2に印加する電流を200Aとした。b層は約0.5μm設けた。
c層の被覆では、試料により基材に印加する負のバイアス電圧を変化させた。また、C2に投入する電力は一定として、C3に投入する電力を徐々に増加させていき、c層のb層側の部分ではc2層(AlTiN系)の方がc1層(AlCrN系)よりも厚い膜になるよう被覆した。なお、被覆時の、C2のカソード電圧は20V以上30V以下、C3のカソード電圧は20V以上35V以下であった。
d層の被覆では、何れの試料も基材に印加する負のバイアス電圧を-120V、C4に印加する電流を150Aとした。d層は約1.5μm設けた。
表2にc層の成膜条件を示す。
表3に切削試験結果を示す。切削条件の詳細は、以下の通りである。
<加工条件>
・切削方法:側面切削
・被削材:STAVAX(52HRC)
・使用工具:2枚刃ボールエンドミル(工具径1mm)
・切り込み:軸方向、0.04mm、径方向、0.04mm
・主軸回転数:24000min-1
・送り速度: 860mm/min
・クーラント:ドライ加工(エアーブロー)
・切削距離:90m
本実施例1について耐久性が優れた要因を解明するために積層皮膜のミクロ解析を行った。
なお、b層とd層については、株式会社日本電子製の電子プローブマイクロアナライザー装置(型番:JXA-8500F)を用いて、付属の波長分散型電子プローブ微小分析(WDS-EPMA)で組成分析を行い、ターゲットの合金組成とほぼ同一の窒化物であることが確認された。
積層皮膜の全体の組成分析の結果の一例を表4に示す。c1層とc2層の組成は、エネルギー分散型X線分光器(EDS)を用いて、分析領域をφ1nmとして、各層の中心部分を分析することで求めた。小数点以下の値は四捨五入して求めた。
本実施例1のc層は、積層皮膜の全体でAlリッチであり、少なくともBとTiとCrを含有していた。本実施例1では、c1層とc2層の組成は相互に混ざっており、c1層はTiとWの合計を10原子%以下で含有していた。また、本実施例1のc2層はCrを10原子%以下で含有していた。
本発明例1はhcp構造のAlN(010)に起因するピークは確認されず、Ih×100/Isは0であった。一方、比較例1には、hcp構造のAlN(010)に起因するピークがあり、Ih×100/Isは19となった。
本実施例1および比較例1について、X線回折では、hcp構造のAlNに起因するピーク強度は確認されなかったが、制限視野回折パターンにおいては、hcp構造のAlNに起因するピーク強度に差異が生じた。本実施例1は、ミクロ組織に含有されるhcp構造のAlNが少ないために、耐久性が著しく改善されたと推定される。
Claims (1)
- 基材と、前記基材上に形成される硬質皮膜とを備え、
前記硬質皮膜は、
前記基材の上に配置される、窒化物または炭窒化物からなるb層と、
前記b層の上に配置され、金属(半金属を含む)元素の総量に対して、アルミニウム(Al)を55原子%以上、次いでクロム(Cr)の含有比率が多く、更に、少なくともホウ素(B)を含有する窒化物または炭窒化物のc1層と、金属(半金属を含む)元素の総量に対して、アルミニウム(Al)を55原子%以上、次いでチタン(Ti)を多く含有する窒化物または炭窒化物のc2層と、がそれぞれ50nm以下の膜厚で交互に積層した積層皮膜であるc層と、
を有し、
前記c層は、透過型電子顕微鏡の制限視野回折パターンから求められる強度プロファイルにおいて、六方最密充填構造のAlNの(010)面に起因するピーク強度をIhとし、面心立方格子構造の、AlNの(111)面、TiNの(111)面、CrNの(111)面、AlNの(200)面、TiNの(200)面、CrNの(200)面、AlNの(220)面、TiNの(220)面、およびCrNの(220)面に起因するピーク強度と、六方最密充填構造の、AlNの(010)面、AlNの(011)面、およびAlNの(110)面に起因するピーク強度と、の合計をIsとした場合、Ih×100/Is≦15の関係を満たすことを特徴とする被覆切削工具。
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