JP7302628B2 - 被覆切削工具 - Google Patents
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Description
[1]
基材と前記基材の表面に形成された被覆層とを含み、
前記被覆層は、第1層と第2層とが交互にそれぞれ2層以上積層された交互積層構造を有し、
前記第1層は、下記式(1):
Ti(CaN1-a) (1)
[式中、aはC元素とN元素との合計に対するC元素の原子比を表し、0.1≦a≦0.4を満足する。]
で表される組成からなる化合物層であり、
前記第2層は、下記式(2):
(TixAl1-x)(CyN1-y) (2)
[式中、xはTi元素とAl元素との合計に対するTi元素の原子比を表し、0.4≦x≦0.8を満足し、yはC元素とN元素との合計に対するC元素の原子比を表し、0.1≦y≦0.4を満足する。]
で表される組成からなる化合物層であり、
前記交互積層構造における前記第1層及び前記第2層のそれぞれの1層当たりの平均厚さが、3nm以上300nm以下であり、
前記交互積層構造の平均厚さが、1.0μm以上8.0μm以下である、被覆切削工具。
[2]
前記被覆層における金属元素全体の原子比の合計に対するTi元素の原子比が、0.7以上0.9以下である、[1]に記載の被覆切削工具。
[3]
前記交互積層構造における結晶粒の平均粒径が、0.1μm以上1.0μm以下である、[1]又は[2]に記載の被覆切削工具。
[4]
前記交互積層構造における組織形態が、柱状晶である、[1]~[3]のいずれかに記載の被覆切削工具。
[5]
前記被覆層は、前記基材と前記交互積層構造との間に、下部層を有し、
前記下部層は、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、C、N、O及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物(ただし、前記式(1)で表される組成からなる化合物及び前記式(2)で表される組成からなる化合物を除く。)の単層又は積層であり、
前記下部層の平均厚さが、0.2μm以上3.0μm以下である、[1]~[4]のいずれかに記載の被覆切削工具。
[6]
前記被覆層は、前記交互積層構造における前記基材と反対側の表面に、上部層を有し、
前記上部層は、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、C、N、O及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物(ただし、前記式(1)で表される組成からなる化合物及び前記式(2)で表される組成からなる化合物を除く。)の単層又は積層であり、
前記上部層の平均厚さが、0.2μm以上3.0μm以下である、[1]~[5]のいずれかに記載の被覆切削工具。
[7]
前記被覆層全体の平均厚さが、1.0μm以上10.0μm以下である、[1]~[6]のいずれかに記載の被覆切削工具。
被覆層は、第1層と第2層とが交互にそれぞれ2層以上積層された交互積層構造を有し、
第1層は、下記式(1):
Ti(CaN1-a) (1)
[式中、aはC元素とN元素との合計に対するC元素の原子比を表し、0.1≦a≦0.4を満足する。]
で表される組成からなる化合物層であり、
第2層は、下記式(2):
(TixAl1-x)(CyN1-y) (2)
[式中、xはTi元素とAl元素との合計に対するTi元素の原子比を表し、0.4≦x≦0.8を満足し、yはC元素とN元素との合計に対するC元素の原子比を表し、0.1≦y≦0.4を満足する。]
で表される組成からなる化合物層であり、
交互積層構造における第1層及び第2層のそれぞれの1層当たりの平均厚さが、3nm以上300nm以下であり、
交互積層構造の平均厚さが、1.0μm以上8.0μm以下である。
本実施形態の被覆切削工具において、第1層は、下記式(1)で表される組成からなる化合物層である。
Ti(CaN1-a) (1)
[式中、aはC元素とN元素との合計に対するC元素の原子比を表し、0.1≦a≦0.4を満足する。]
本実施形態の被覆切削工具は、第2層が、下記式(2)で表される組成からなる化合物層である。
(TixAl1-x)(CyN1-y) (2)
[式中、xはTi元素とAl元素との合計に対するTi元素の原子比を表し、0.4≦x≦0.8を満足し、yはC元素とN元素との合計に対するC元素の原子比を表し、0.1≦y≦0.4を満足する。]
本実施形態の被覆切削工具は、被覆層において、第1層と第2層とが交互にそれぞれ2層以上積層された交互積層構造を有する。本実施形態の被覆切削工具は、被覆層において、第1層と第2層とが交互にそれぞれ2層以上積層された交互積層構造を有すると、単層で形成するよりも所望の各層の組成における連続的な結晶粒の成長が容易となる。また、本実施形態の被覆切削工具は、被覆層において、第1層の組成がTi(CaN1-a)であり、第2層の組成が(TixAl1-x)(CyN1-y)であることで、交互積層構造全体に炭素(C)を含有しているため、被覆層全体の硬さが向上し、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する。さらに、本実施形態の被覆切削工具は、被覆層において、第1層及び第2層を交互にそれぞれ2層以上積層された交互積層構造を有することで、各層における粒子の粗大化を抑制することにより、被覆切削工具の耐欠損性が向上する。
なお、第1層及び第2層の1層当たりの平均厚さは、同じであってもよく、異なっていてもよい。
なお、本実施形態において、交互積層構造における結晶粒の平均粒径は、試料の写真において基材の表面と平行な方向に線を引き、この線の長さをこの線上に存在する結晶粒の数で除した値とする。具体的には、交互積層構造における結晶粒の平均粒径は、後述の実施例に記載の方法により測定することができる。また、交互積層構造における結晶粒は、式(1)で表される組成からなる化合物の結晶粒、式(2)で表される組成からなる化合物の結晶粒のいずれかを含むか、式(1)で表される組成からなる化合物の結晶粒及び式(2)で表される組成からなる化合物の結晶粒の両方が含まれる。
なお、本実施形態において、交互積層構造における結晶粒子のアスペクト比が1.2以上である場合を柱状晶とする。交互積層構造における結晶粒子のアスペクト比の上限は、特に限定されないが、交互積層の厚さを考慮すると、例えば、4.0以下である。
また、本実施形態において、アスペクト比は後述の実施例に記載の方法により測定することができる。
なお、本実施形態において、第1層と、第2層とを1層ずつ形成した場合、「繰り返し数」は1回である。
また、図2は、本実施形態の被覆切削工具の別の一例を示す模式断面図である。被覆切削工具8は、基材1と、その基材1の表面上に形成された被覆層7とを備える。被覆層7は、基材1側から第2層2と第1層3とをこの順で交互に6回繰り返し形成した交互積層構造を有する。
本実施形態に用いる被覆層は、交互積層構造における基材と反対側の表面に上部層を有してもよい。上部層は、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、C、N、O及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物(ただし、式(1)で表される組成からなる化合物及び式(2)で表される組成からなる化合物を除く。)の単層又は積層であることが好ましい。上部層がこのような化合物の単層又は積層であると、耐摩耗性に一層優れるので、さらに好ましい。また、上記と同様の観点から、上部層は、Ti、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、C、N、O及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物(ただし、式(1)で表される組成からなる化合物及び式(2)で表される組成からなる化合物を除く。)を含むとより好ましく、Ti、Nb、Ta、Cr、W、Al、Si及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、Nとからなる化合物を含むとさらに好ましく、Ti、Cr、Al及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、Nとからなる化合物を含むと特に好ましい。上部層に含まれる具体的な化合物としては、特に限定されないが、例えば、TiAlN、AlCrN、TiSiNが挙げられる。また、上部層は単層であってもよく2層以上の多層(積層)であってもよい。
本実施形態に用いる被覆層は、基材と、第1層及び第2層の交互積層構造との間に下部層を有すると好ましい。これにより、基材と被覆層との密着性が更に向上する傾向にある。その中でも、下部層は、上記と同様の観点から、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、C、N、O及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物(ただし、式(1)で表される組成からなる化合物及び式(2)で表される組成からなる化合物を除く。)を含むと好ましく、Ti、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、C、N、O及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物(ただし、式(1)で表される組成からなる化合物及び式(2)で表される組成からなる化合物を除く。)を含むとより好ましく、Ti、Ta、Cr、W、Al、Si、及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、Nとからなる化合物を含むとさらに好ましく、Ti、Al及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、Nとからなる化合物を含むと特に好ましい。下部層に含まれる具体的な化合物としては、特に限定されないが、例えば、TiN、TiAlN、TiAlSiNが挙げられる。また、下部層は単層であってもよく2層以上の多層であってもよい。
本実施形態の被覆切削工具における被覆層の製造方法は、特に限定されるものではないが、例えば、イオンプレーティング法、アークイオンプレーティング法、スパッタ法、及びイオンミキシング法などの物理蒸着法が挙げられる。物理蒸着法を使用して、被覆層を形成すると、シャープエッジを形成することができるので好ましい。その中でも、アークイオンプレーティング法は、被覆層と基材との密着性に一層優れるので、より好ましい。
本実施形態の被覆切削工具の製造方法について、以下に具体例を用いて説明する。なお、本実施形態の被覆切削工具の製造方法は、当該被覆切削工具の構成を達成し得る限り、特に制限されるものではない。
基材として、CNMG120408-TSF(株式会社タンガロイ製)のインサート(54.0%Ti(C,N)-22.5%WC-6.8%NbC-1.0%Mo2C-0.7%ZrC-7.5%Co-7.5%Ni(以上質量%)の組成を有する超硬合金)を用意した。アークイオンプレーティング装置の反応容器内に、表1に示す各層の組成になるようTi蒸発源及び金属蒸発源を配置した。用意した基材を、反応容器内の回転テーブルの固定金具に固定した。
得られた試料の各層の平均厚さは、被覆切削工具の金属蒸発源に対向する面の刃先稜線部から当該面の中心部に向かって50μmの位置の近傍において、3箇所の断面をTEM観察し、各層の厚さを測定し、その平均値(相加平均値)を計算することで求めた。それらの結果を、表1に併せて示す。
得られた試料の各層の組成は、被覆切削工具の金属蒸発源に対向する面の刃先稜線部から中心部に向かって50μmまでの位置の近傍の断面において、TEMに付属するEDSを用いて測定した。測定結果を、表1に示す。なお、表1の各層の金属元素の組成比は、各層を構成する金属化合物における金属元素全体に対する各金属元素の原子比を示す。また、各層の組成の測定結果から、被覆層における金属元素全体の原子比の合計に対するTi元素の原子比を算出した。結果を表3に示す。
得られた試料について、以下のとおり、市販の透過型顕微鏡(TEM)を用いて、交互積層構造における結晶粒の平均粒径を測定した。まず、集束イオンビーム(FIB)加工機を用いて、被覆層の交互積層構造における断面(被覆層の厚さを観察するときと同じ方向の断面:基材表面に対して垂直方向)を観察面とする薄膜の試料を作製した。作製した試料の観察面について走査透過電子像(STEM像)の写真を撮影した。撮影した写真の基材側から表面側に向かって交互積層構造の厚さの80%の位置において、基材の表面と平行な方向に直線を引き、この線上に存在する結晶粒の数を測定した。この直線の長さをこの線上に存在する結晶粒の数で除し、得られた値を交互積層構造における結晶粒の平均粒径とした。このとき、直線の長さを10μm以上とした。
また、交互積層構造における粒子のアスペクト比は、以下のとおり求めた。まず、図3に示すとおり、平均粒径の測定に使用した結晶粒のうちの1つ結晶粒10において、直線20から表面側に向かって垂直方向の最大距離30と、直線20から基材側に向かって垂直方法の最大距離40との合計を長軸の長さ50とした。平均粒径の測定に使用した各結晶粒の長軸の長さを同様に求めて、これらの長軸の長さの平均値を平均粒径で除した値を交互積層構造における粒子のアスペクト比とした。
また、撮影した観察面の写真から、交互積層構造における組織形態を特定した。これらの測定結果を、表3に示す。
被削材:S45C
被削材形状:S45Cの丸棒
切削速度:250m/min
1刃あたりの送り:1.0mm/rev
切り込み深さ:0.2mm
クーラント:使用
評価項目:試料の逃げ面摩耗幅が0.2mmに至ったとき、又は試料が欠損(試料の切れ刃部に欠けが生じる)したときを工具寿命とし、工具寿命までの加工時間を測定した。工具寿命までの加工時間が長いほど耐摩耗性に優れると評価した。
被削材:S45C
被削材形状:S45Cの側面に1本の溝が入っている丸棒
切削速度:150m/min
1刃あたりの送り:1.0mm/rev
切り込み深さ:0.1mm
クーラント:使用
評価項目:試料が欠損に至ったときを工具寿命とし、工具寿命までの衝撃回数を測定した。なお、衝撃回数は、試料と被削材とが接触した回数とし、試料が欠損に至った時点で試験を終了した。工具寿命までの衝撃回数が多いほど耐欠損性に優れると評価した。
基材として、CNMG120408-TSF(株式会社タンガロイ製)のインサート(54.0%Ti(C,N)-22.5%WC-6.8%NbC-1.0%Mo2C-0.7%ZrC-7.5%Co-7.5%Ni(以上質量%)の組成を有する超硬合金)を用意した。アークイオンプレーティング装置の反応容器内に、表5に示す各層の組成になるようTi蒸発源及び金属蒸発源を配置した。用意した基材を、反応容器内の回転テーブルの固定金具に固定した。
得られた試料の各層の平均厚さは、被覆切削工具の金属蒸発源に対向する面の刃先稜線部から当該面の中心部に向かって50μmの位置の近傍において、3箇所の断面をTEM観察し、各層の厚さを測定し、その平均値(相加平均値)を計算することで求めた。それらの結果を、表5に併せて示す。
得られた試料の各層の組成は、被覆切削工具の金属蒸発源に対向する面の刃先稜線部から中心部に向かって50μmまでの位置の近傍の断面において、TEMに付属するEDSを用いて測定した。測定結果を、表5に示す。なお、表1の各層の金属元素の組成比は、各層を構成する金属化合物における金属元素全体に対する各金属元素の原子比を示す。また、各層の組成の測定結果から、被覆層における金属元素全体の原子比の合計に対するTi元素の原子比を算出した。結果を表8に示す。
得られた試料について、以下のとおり、市販の透過型顕微鏡(TEM)を用いて、交互積層構造における結晶粒の平均粒径を測定した。まず、集束イオンビーム(FIB)加工機を用いて、被覆層の交互積層構造における断面(被覆層の厚さを観察するときと同じ方向の断面:基材表面に対して垂直方向)を観察面とする薄膜の試料を作製した。作製した試料の観察面について走査透過電子像(STEM像)の写真を撮影した。撮影した写真の基材側から表面側に向かって交互積層構造の厚さの80%の位置において、基材の表面と平行な方向に直線を引き、この線上に存在する結晶粒の数を測定した。この直線の長さをこの線上に存在する結晶粒の数で除し、得られた値を交互積層構造における結晶粒の平均粒径とした。このとき、直線の長さを10μm以上とした。
また、交互積層構造における粒子のアスペクト比は、以下のとおり求めた。まず、図3に示すとおり、平均粒径の測定に使用した結晶粒のうちの1つ結晶粒10において、直線20から表面側に向かって垂直方向の最大距離30と、直線20から基材側に向かって垂直方法の最大距離40との合計を長軸の長さ50とした。平均粒径の測定に使用した各結晶粒の長軸の長さを同様に求めて、これらの長軸の長さの平均値を平均粒径で除した値を交互積層構造における粒子のアスペクト比とした。
また、撮影した観察面の写真から、交互積層構造における組織形態を特定した。これらの測定結果を、表8示す。
Claims (5)
- 基材と前記基材の表面に形成された被覆層とを含み、
前記被覆層は、第1層と第2層とが交互にそれぞれ2層以上積層された交互積層構造を有し、
前記第1層は、下記式(1):
Ti(CaN1-a) (1)
[式中、aはC元素とN元素との合計に対するC元素の原子比を表し、0.1≦a≦0.4を満足する。]
で表される組成からなる化合物層であり、
前記第2層は、下記式(2):
(TixAl1-x)(CyN1-y) (2)
[式中、xはTi元素とAl元素との合計に対するTi元素の原子比を表し、0.4≦x≦0.8を満足し、yはC元素とN元素との合計に対するC元素の原子比を表し、0.1≦y≦0.4を満足する。]
で表される組成からなる化合物層であり、
前記交互積層構造における前記第1層及び前記第2層のそれぞれの1層当たりの平均厚さが、3nm以上300nm以下であり、
前記交互積層構造の平均厚さが、1.0μm以上8.0μm以下であり、
前記交互積層構造における結晶粒の平均粒径が、0.1μm以上1.0μm以下であり、
前記交互積層構造における組織形態が、柱状晶である、被覆切削工具。 - 前記被覆層における金属元素全体の原子比の合計に対するTi元素の原子比が、0.7以上0.9以下である、請求項1に記載の被覆切削工具。
- 前記被覆層は、前記基材と前記交互積層構造との間に、下部層を有し、
前記下部層は、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、C、N、O及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物(ただし、前記式(1)で表される組成からなる化合物及び前記式(2)で表される組成からなる化合物を除く。)の単層又は積層であり、
前記下部層の平均厚さが、0.2μm以上3.0μm以下である、請求項1又は2に記載の被覆切削工具。 - 前記被覆層は、前記交互積層構造における前記基材と反対側の表面に、上部層を有し、
前記上部層は、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、C、N、O及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物(ただし、前記式(1)で表される組成からなる化合物及び前記式(2)で表される組成からなる化合物を除く。)の単層又は積層であり、
前記上部層の平均厚さが、0.2μm以上3.0μm以下である、請求項1~3のいずれか一項に記載の被覆切削工具。 - 前記被覆層全体の平均厚さが、1.0μm以上10.0μm以下である、請求項1~4のいずれか一項に記載の被覆切削工具。
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