JP7227472B2

JP7227472B2 - 硬質皮膜切削工具

Info

Publication number: JP7227472B2
Application number: JP2019022628A
Authority: JP
Inventors: 英利淺沼
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2019-02-12
Filing date: 2019-02-12
Publication date: 2023-02-22
Anticipated expiration: 2039-02-12
Also published as: JP2020127998A

Description

本発明は、チタン合金、ニッケル合金等の高速切削加工に用いても、硬質皮膜層が優れた耐摩耗性を有し、長期の使用にわたって優れた切削性能を発揮する表面被覆切削工具（以下、被覆工具ということがある）に関するものである。

一般に、被覆工具には、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インサート、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、さらに被削材の面削加工や溝加工、肩加工などに用いられるソリッドタイプのエンドミルなどがあり、またインサートを着脱自在に取り付けてソリッドタイプのエンドミルと同様に切削加工を行うインサート式エンドミルなどが知られている。
従来から、被覆工具としては、例えば、ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメット、ｃＢＮ焼結体等を工具基体とし、これに硬質皮膜層を形成した被覆工具が知られており、切削性能の改善を目的として種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１には、刃先の表面がＴｉＡｌＮ層で被覆され、かつ、該ＴｉＡｌＮ皮膜層と母材との間にＴｉ層からなる中間層を形成してなる切削加工用工具が記載されている。

また、特許文献２には、工具基体上に４～６μｍの厚さのＴｉＮｘ（０．５≦ｘ≦０．９）と、その上に１～２μｍの厚さのＴｉＮｘ（０．９≦ｘ≦１）の皮膜層を有する切削工具が記載されている。

さらに、特許文献３には、工具基体表面に、厚さが５～５００ｎｍの周期表４～６族の金属からなる第１層を含む硬質皮膜層を有する切削工具が記載されている。

特開平７－２０４９０７号公報特開昭５９－１５９９８３号公報特開２０００－１２９４２３号公報

特許文献１～３に記載された硬質皮膜層を有する被覆工具は、チタン合金、ニッケル合金のように熱伝導度が低く、硬く、靭性を有し切削工具との親和性の高い材料の高速切削時には、早期に溶着剥離が発生し短時間で寿命に至ってしまい満足する切削性能を得ることは困難である。

そこで、本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであって、チタン合金、ニッケル合金等の熱伝導度が低く、硬く、靱性の高い材料の高速切削に供しても、優れた耐溶着剥離性を示し、長期の使用にわたって優れた切削性能を発揮する切削工具を提供することを目的とする。

本発明者は、前記課題を解決すべく、硬質皮膜層と工具基体との界領域面の組成・構造について鋭意検討したところ、ＷＴｉ膜をこの界面領域に設けることにより、硬質皮膜層と工具基体との密着性が向上し、たとえ、溶着剥離が生じかけても、このＷＴｉ膜がチッピングを抑制し、工具基体を構成する粒子（ＷＣ粒子）の脱落が防止できるという新規な知見を得た。

なお、前記特許文献１および３に記載の切削工具では、工具基体上にＴｉ膜を成膜しているため、工具基体がＷＣ基超硬合金であれば、このＴｉ膜の工具基体近傍では（ＷＴｉ）Ｃ膜が形成される可能性があるが、この（ＷＴｉ）Ｃ膜は前記ＷＴｉ膜とは組成が異なり、しかも、（ＷＴｉ）Ｃ膜と硬質皮膜層との間には、耐摩耗性が劣る柔らかいＴｉ膜が存在しているため皮膜（層）構造も異なり、これら切削工具は、チッピング性抑制や工具基体を構成する粒子の脱落を防止できないものである。

本発明は、この知見に基づくものであって、次のとおりのものである。
「（１）工具基体の表面に、少なくとも、平均層厚が０．５～１０．０μｍの硬質皮膜層を有する表面被覆切削工具であって、
前記工具基体の表面と前記硬質皮膜層との界面の前記硬質皮膜層の側に平均厚さが５～５００ｎｍであるＷ_１－ｘＴｉ_ｘ膜（ｘは原子比で０．０１≦ｘ≦０．３０）を有し、
前記Ｗ _１－ｘＴｉ _ｘ膜において、ｘの値が工具表面側に向かって増加していることを特徴とする表面被覆切削工具。」

本発明の表面被覆切削工具は、チタン合金、ニッケル合金等の高速切削加工に用いても、硬質皮膜層が優れた耐溶着性、耐チッピングを備えることにより、長期の使用にわたって優れた切削性能を発揮する。

本発明の表面被覆切削工具における硬質皮膜層の縦断面の模式図である。

以下、本発明の被覆工具について、より詳細に説明する。なお、本明細書、特許請求の範囲の記載において、数値範囲を「～」を用いて表現する場合、その範囲は上限および下限の数値を含むものである。

硬質皮膜層の平均層厚：
本発明の被覆工具における硬質皮膜層の平均層厚は、０．５～１０．０μｍである。この範囲とした理由は、０．５μｍ未満であると、長期の使用にわたって優れた耐摩耗性を発揮することができず、一方、１０．０μｍを超えると、結晶粒が粗大化しやすくなり、耐チッピング性向上効果が得られなくなるからである。

硬質皮膜層の組成：
本発明の被覆工具における硬質皮膜層を構成する硬質皮膜の組成は、本発明の目的を阻害するものでなければ特に限定されないが、例えば、組成式：（Ｔｉ_１－ｘＡｌ_ｘ）Ｎで表されるＴｉとＡｌとの複合窒化物（（ＴｉＡｌ）Ｎ）の硬質皮膜が例示できる。ここで、０．３５≦ｘ≦０．８０である。

なお、この（ＴｉＡｌ）Ｎ層の平均組成、平均層厚については、走査型電子顕微鏡（ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＴＥＭ）、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥｎｅｒｇｙＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＸ－ｒａｙＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＥＤＳ）を用いた断面観察により求めることができる。

工具基体の表面と硬質皮膜層との界面から５～５００ｎｍの範囲の硬質皮膜層内にあるＷＴｉ膜：
本発明において、工具基体の表面と硬質皮膜層との界面から平均５～５００ｎｍの範囲（厚さ）の硬質皮膜層内にＷ_１－ｘＴｉ_ｘ膜（ｘは原子比で０．０１≦ｘ≦０．３０）（以下、ＷＴｉ膜ということがある）を有していることが好ましい。ここで、ＷＴｉ膜は、硬質皮膜成分の皮膜に関する原子（前記（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜であれば、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎの原子）のみが検出され始め、かつ、ＷＣではなくＷが最初に検出された点において、ＷとＴｉの合量に対してＴｉの含有割合ｘ（原子比）の値が１～３０原子％である。また、前記Ｔｉの含有割合ｘは、該界面領域において工具基体側から工具表面側に向かって増加することがより好ましい。

このＷＴｉ膜が存在することにより、工具基体への硬質皮膜層の密着力が向上し、工具基体を構成するＷＣ粒子の脱落およびチッピングが防止できる。ＷＴｉ膜の平均層厚は、より好ましくは、１０～４００ｎｍの範囲である。
なお、このＷＴｉ膜中のＴｉの含有割合ｘは、透過型電子顕微鏡に付属するエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＴＥＭ－ＥＤＳ）によって求めることができる。

工具基体：
工具基体は、この種の工具基体として従来公知のＷＣを含む基材であれば、本発明の目的を達成することを阻害するものでない限り、いずれのものも使用可能である。

製造方法：
本発明の被覆工具の硬質皮膜層は、ＰＶＤの一種であるアークイオンプレーティング（ＡｒｃＩｏｎＰｌａｔｉｎｇ：ＡＩＰ）装置を用いて製造することができ、平均層厚が５～５００ｎｍのＷＴｉ膜は、ＷターゲットとＴｉターゲットを同時にスパッタし、Ｔｉの放電量を徐々に増加（例えば線形に増加）させることにより形成することができる。

次に、実施例について説明する。
ここでは、本発明の被覆工具の具体例として、工具基体としてＷＣ基超硬合金を用いたインサート切削工具に適用したものについて述べるが、工具基体は前述のとおりＷＣが含まれていればよく、また、工具としてドリル、エンドミル等に適用した場合も同様である。

まず、原料粉末として、Ｃｏ粉末、ＶＣ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２粉末、ＴｉＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＷＣ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ボールミルで７２時間湿式混合し、減圧乾燥した後、１００ＭＰａの圧力でプレス成形し、これらの圧粉成形体を焼結し、所定寸法となるように加工して、ＩＳＯ規格ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＴＮ１のインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体１～３を作製した。

次に、工具基体１～３にＡＩＰ蒸着源と直流（ＤＣ）スパッタリング蒸着源を持つ成膜装置を用いて硬質皮膜層を形成すべく、アセトン中で超音波洗浄し、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。また、カソード電極（蒸発源）として、ＷターゲットとＴｉターゲット、そして、所定組成の硬質皮膜を得るためのＴｉ－Ａｌ合金ターゲットを配置した。

続いて、成膜装置内を排気して１０^－２Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を４００～１０００℃に加熱した後、０．１～２．０Ｐａ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～－１２００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、アルゴンイオン、またはＴｉ金属ターゲットからなるカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間に８０～２４０Ａの範囲内の所定の電流を流してアーク放電させ発生させた金属イオンによって、工具基体表面を１０～１２０分間ボンバード処理した。

成膜装置内に反応ガスとして、表２に示す分圧が０．１～１Ｐａの範囲内のＡｒガスを所定時間導入すると共に、同じく表２に示す炉内温度に維持し、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、表２に示す－６００～－１２００Ｖの範囲内の所定の直流バイアス電圧を印加して、Ｔｉ含有量が工具表面側に向かって増加するように、Ｔｉターゲットのアーク電流を８０～２４０Ａの範囲内で調整し、Ｗターゲットのスパッタリング電力を０．５～１ｋＷで調整し、ＷＴｉ膜を成膜し、その後、表２に示す分圧が１．０～５．０Ｐａの範囲内の窒素ガスを所定時間導入して、Ｔｉ－Ａｌ合金ターゲットからなるカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間に、表２に示す８０～２４０Ａの範囲内の所定の電流を流してアーク放電を発生させ、表３に示す本発明の被覆工具（以下、「本発明工具」という）１～９を作製した（ただし、本発明工具５は参考例である）。

なお、表２でいう「界面領域Ｗスパッタリング電力供給時間（分）」とは、「界面領域形成時のＷスパッタリング電力供給時間（分）」のことであり、初期値のアーク電流から「界面領域Ｗスパッタリング電力供給時間（分）」の時間をかけて、終了値のアーク電流に変化させてＷＴｉ膜の成膜を完了させた。ＴｉイオンはＷ膜にイオン注入されＷＴｉ膜を形成し、且つ、Ｗ膜のエッチングも同時に起こす。

一方、比較のため、前記工具基体１～３に対して、前記と同じ成膜装置を用いて、表２に示す条件で硬質皮膜層を蒸着形成し、表４に示す比較例の皮膜工具（以下、「比較例工具」という）１～３を作製した。

硬質皮膜層の平均層厚、硬質皮膜の平均組成および界面領域のＴｉの含有割合は、前記で作製した本発明工具１～９および比較例工具１～３の工具基体表面に垂直な硬質皮膜層縦断面について、工具基体表面に平行な方向の幅が１０μｍであり、硬質皮膜層の厚み領域が全て含まれるよう設定された視野について、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）を用いた断面観察により求めた。

具体的には、平均層厚は観察断面を５０００倍に拡大して、５点の層厚を求めて平均層厚を算出した。界面領域のＴｉ含有割合ｘについては、厚さ方向に５本のＥＤＳ線分析を行って求めた。特に、界面領域のＴｉ含有量はＴＥＭ－ＥＤＳを用いて、工具基材と硬質皮膜層の界面領域において、ＥＤＳ線分析を行って求めた。ここで、工具基体から硬質皮膜層側へＴＥＭ－ＥＤＳ線分析を行い、皮膜組成のＴｉ、Ａｌ、Ｎの皮膜に関する原子のみが検出され始め、かつ、ＷＣではなくＷが最初に検出され、そこでのＴｉ含有割合ｘが１～３０原子％である点を工具基材表面側とし、界面領域の硬質皮膜層側は、界面領域の最も工具表面側であって、この点よりも工具表面側の領域ではＷが存在しない点を工具表面側と、表３、表４では記載している。
表３および表４にこれらの結果を示す。

次いで、本発明工具１～９および比較例工具１～９について、以下の条件で、チタン合金およびニッケル合金についての高速切削加工試験を実施した。

切削条件Ａ：
被削材：質量％で、Ｎｉ－１９％Ｃｒ－１８．５％Ｆｅ－５．２％Ｃｄ－５％Ｔａ－３％Ｍｏ－０．９％Ｔｉ－０．５％Ａｌ－０．３％Ｓｉ－０．２％Ｍｎ－０．０５％Ｃｕ－０．０４％Ｃの組成を有するＮｉ基合金の丸棒、
切削速度：５５ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．０ｍｍ、
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：７分、
の条件でのＮｉ基合金の湿式連続高速高送り切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、３５ｍ／ｍｉｎ．、０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．）、切削試験の結果を表５に示す。

切削条件Ｂ：
被削材：質量％で、Ｔｉ－６％Ａｌ－４％Ｖの組成を有するＴｉ基合金の丸棒、
切削速度：１２５ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．２ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１０分、
の条件でのＴｉ基合金の湿式連続高速高切込切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、１００ｍ／ｍｉｎ．、０．２ｍｍ／ｒｅｖ．）
切削試験の結果を表６に示す。

表５および表６の結果によれば、本発明工具１～９については、切削条件Ａ、Ｂのいずれでもチッピング、剥離等の異常損傷の発生はなく、耐チッピング性、耐摩耗性のいずれにも優れていることがわかる。
これに対して、比較例工具１～３については、切削条件Ａ、Ｂのいずれにおいても、チッピングの発生、あるいは、逃げ面摩耗の進行により、短時間で寿命に至ることは明らかである。

本発明の表面被覆切削工具は、各種の鋼などの通常の切削条件での切削加工は勿論のこと、特に高熱発生を伴うとともに、切刃部に対して大きな負荷がかかるチタン合金、ニッケル合金等の高速切削加工において、優れた耐チッピング性および耐摩耗性を発揮し、長期にわたってすぐれた切削性能を示すものであるから、切削加工装置の高性能化、並びに切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に十分満足に対応できるものである。

Claims

工具基体の表面に、少なくとも、平均層厚が０．５～１０．０μｍの硬質皮膜層を有する表面被覆切削工具であって、
前記工具基体の表面と前記硬質皮膜層との界面の前記硬質皮膜層の側に平均厚さが５～５００ｎｍであるＷ_１－ｘＴｉ_ｘ膜（ｘは原子比で０．０１≦ｘ≦０．３０）を有し、
前記Ｗ _１－ｘＴｉ _ｘ膜において、ｘの値が工具表面側に向かって増加していることを特徴とする表面被覆切削工具。