JP7323866B2 - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Description

この発明は、難削材として知られるＴｉ基合金などの切削加工において、切削工具の表面被覆層への溶着や基体からの硬質被覆層の剥離を抑制し、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。

たとえば、Ｔｉ基合金の切削加工においては、Ｔｉが反応性に富み、かつ、刃先の温度が高くなりやすいため、工具の刃先に溶着が生じやすく、そのため、皮膜の損耗が激しく、また、チッピングを生じやすいため、工具寿命が短命となる傾向にあることが知られている。
そして、従来から、これらの被覆工具の切削性能改善を目的として、数多くの提案がなされている。

例えば、特許文献１では、特に切削工具基体の表面に熱ＣＶＤ法により少なくとも０．１μｍ以上の厚みを有し、平均粒径が５０ｎｍ以下のＴｉＢ_２微粒結晶組織を有する皮膜を設けることにより、耐摩耗強度を高めるとともに、Ｔｉ合金等の難削材の切削時における被削材の溶着を抑制することが開示されている。

また、特許文献２には、基体であるＣＢＮ焼結体またはダイヤモンド焼結体に対し、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮまたはＴｉＣＮ皮膜を設ける際に、これらの皮膜中にＢ_４Ｃ、ＢＮ、ＴｉＢ_２、ＴｉＢ、ＴｉＣ、ＷＣ、ＳｉＣ、ＳｉＮおよびＡｌ_２Ｏ_３よりなる群より選択される少なくとも一種の非晶質構造を有する高硬度の超微粒化合物を含ませることにより、前記皮膜の耐摩耗性が向上することが開示されている。

さらに、特許文献３には、高速度鋼の高速切削加工に際して、硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具を提供することを課題として、熱伝導性にすぐれ高速切削時に発生する高熱を速やかに放熱する上部層としてのＺｒＢ_２層と耐摩耗性を長期に亘って発揮する下部層としてのＴｉＡｌＢＮ層との間に、いずれの層ともすぐれた密着性を有する硼窒化ジルコニウム（ＺｒＢＮ）層を介在させることにより、層間剥離の発生がなく、すぐれた耐摩耗性を発揮する硬質被覆層を得ることが開示されている。

米国特許第８３８８７０９号明細書 特許第３９１４６８７号公報 特開２００６－１００６号公報

近年の切削加工装置の高性能化はめざましく、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が、上記従来の被覆工具においては、これを鋼や鋳鉄などの通常の切削条件にて切削加工を行う場合には、特段の問題は生じないものの、溶着性の高い被削材の切削加工、例えば、Ｔｉ合金の切削加工、特には、断続切削加工に供した場合には、溶着を抑制することが難しく、皮膜の損耗およびチッピングや欠損等の異常損傷を発生しやすく、また、摩耗進行も促進されるため、比較的短時間で使用寿命に至るというのが現状である。
特に、Ｔｉ合金加工時に溶着を生じやすい要因としては、Ｔｉは塑性変形性、反応性に富み、かつ加工時に熱がこもりやすいことが挙げられる。

そこで、前記特許文献１～３に記載したとおり、チタン合金加工時における溶着を低減させる従来被覆工具としてホウ素化合物からなる皮膜を用いた被覆工具が提案されている。
しかしながら、例えば、特許文献１にて提案される従来被覆工具は、ホウ素化合物（ＴｉＢ_２）層を有するため、Ｔｉ合金との反応が抑制されるという点においてはすぐれているものの、耐チッピング性においては必ずしも十分とは言えないという問題を有している。
また、特許文献２にて示される従来被覆工具では、ＴｉＡｌＮ皮膜等のＴｉＮ系皮膜に微粒ホウ素化合物を含有させることにより、皮膜の耐摩耗性の向上を図ることが提案されているが、溶着抑制の観点では十分とはいえず、また、Ｔｉ合金の加工時には、皮膜にさらなる高い密着性が要求される。
さらに、特許文献３にて示される従来被覆工具は、高速度鋼の高速切削加工用の表面被覆超硬合金製切削工具としては、すぐれた特性を有するものの、特許文献１と同じく、Ｔｉ合金等の難削材の切削においては、耐チッピング性においては十分とは言えず、工具寿命が短命である。

そこで、本発明者等は、工具基体表面に、少なくとも溶着性の高い被削材、例えば、Ｔｉ合金等の切削加工、特には、高速断続切削加工のような切削加工時の高熱発生によって被削材との溶着を生じやすく、しかも、切刃に対して高負荷、場合によっては、衝撃的・断続的な高負荷が作用する切削加工条件下にても、硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性、耐溶着性、および耐チッピング性を備えた被覆工具を開発すべく、硬質被覆層の成分組成および層構造等に着目し研究を行った結果、以下のような知見を得た。

すなわち、本発明者等は、まず、工具基体表面に設ける下部層については、Ｔｉ合金等の溶着性被切削材の溶着を回避するために、工具基体表面に、耐溶着性にすぐれたＺｒＢ_２層からなる皮膜を被覆し、次いで、上部層については、耐摩耗性の観点を加味し、高硬度であり、耐摩耗性にすぐれた微粒のＢ_４ＣからなるＢ_４Ｃ層と、下部層に用いた耐溶着性にすぐれたＺｒＢ_２層とを複数回繰り返し積層された積層構造の皮膜を被覆することにより、得られた硬質被覆層は、膜の破壊を伴うチッピングに対して、すぐれた耐性を有するものとなることを知見したのである。

したがって、本発明に係る被覆工具は、ＴｉおよびＴｉ基耐熱合金に加え、Ｎｉ基耐熱合金、ステンレス鋼のような同じく溶着性が高く、高熱発生を伴い、切刃に対して衝撃的・断続的な高負荷が作用する材料を高速断続切削加工に供した場合であっても、すぐれた耐異常損傷性と耐摩耗性を発揮することができる。

この発明は、上記の知見に基づいてなされたものであって、
「（１）ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメットおよび立方晶窒化硼素焼結体のいずれかからなる工具基体表面に接して硬質被覆層を有する表面被覆切削工具において、
（ａ）前記硬質被覆層は前記工具基体の表面側より順に下部層および上部層の二層を有
してなり、その合計平均層厚は、１．０μｍ以上８．０μｍ以下であり、
（ｂ）前記下部層は、ＺｒＢ_２層からなり、その平均層厚ｘ_１は、
０．５μｍ以上４．０μｍ以下であり、
（ｃ）前記上部層は、前記工具基体の表面側からＢ_４Ｃ層とＺｒＢ_２層とが交互に積層
されてなる二層以上の多層被覆層であり、
各Ｂ_４Ｃ層および各ＺｒＢ_２層の平均層厚は、それぞれ５ｎｍ以上５０ｎｍ以下
であり、
前記上部層の合計平均層厚ｙ_１は、０．５μｍ以上４．０μｍ以下であることを
特徴とする表面被覆切削工具。」とするものである。
なお、本明細書中において、数値範囲を示す際に「～」、あるいは、「－」を用いる場合は、その数値範囲の下限および上限を含むことを意味する。

本発明の被覆工具について、以下に詳述する。

硬質被覆層；
本発明に係る硬質被覆層は、工具基体側より、ＺｒＢ_２層からなる下部層と、それぞれ５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚みを有するＢ_４Ｃ層およびＺｒＢ_２層が交互に所望の積層周期にて２層以上積層されてなる多層被覆層である上部層とを有してなるものである。
そして、硬質被覆層の合計平均総膜厚は、１．０μｍ未満では、長期にわたり耐摩耗性や耐チッピング性が十分に発揮することができず、また、８．０μｍを超えるとチッピングや欠損等の異常損傷が発生しやすくなるため、１．０～８．０μｍと規定した。
本発明に係る硬質被覆層は、例えば、物理蒸着法の一種である、スパッタ法等を用い成膜することができる。
具体的な成膜装置としては、例えば、マグネトロンスパッタリング装置、あるいは高出力インパルスマグネトロンスパッタリング（以下、ＨｉＰＩＭＳ）装置を用い成膜することができ、特にＨｉＰＩＭＳ装置による成膜が好ましい。
前記硬質被覆層を構成する下部層（ＺｒＢ_２層）や上部層（全層、全Ｂ_４Ｃ層、全ＺｒＢ_２層、各Ｂ_４Ｃ層、および、各ＺｒＢ_２層）の各層の平均層厚は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、または、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用い、例えば、工具基体に対する垂直断面にて、倍率５０００倍にて観察視野内の５点の層厚の平均値として求めることができる。

下部層；
本発明に係る下部層は、工具基体上に成膜され、ＺｒＢ_２層からなり、耐摩耗性にすぐれた特性を有する。
しかしながら、平均層厚が、０．５μｍ未満の場合には、長期の使用に亘って十分な耐摩耗性を発揮することができず、他方、４．０μｍを超えた場合には、チッピングや欠損等の異常損傷を発生するおそれがある。
したがって十分な耐摩耗性を発揮し、耐チッピング、耐欠損性にすぐれた下部層を得るためには、その平均層厚を０．５μｍ以上４．０μｍ以下とする。

上部層；
本発明に係る上部層は、前記下部層上において、それぞれ５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚みを有するＢ_４Ｃ層およびＺｒＢ_２層が、Ｂ_４Ｃ層およびＺｒＢ_２層の順にて少なくとも複数回繰り返して交互積層することにより、すぐれた耐チッピング性および耐摩耗性を発揮するものである。
上部層の各層の個々の層厚は、５ｎｍ未満では、積層構造が得られず、耐摩耗性が低下し、他方、５０ｎｍを超えると耐チッピング性が低下するため、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下と規定する。
また、上部層の全層厚は、０．５μｍ未満では、積層化による耐チッピング性の効果が得られず、また、４．０μｍを超えると各層間の応力が緩和できず、所望の効果を発揮できないため、その平均層厚を０．５μｍ以上４．０μｍ以下とした。

硬質被覆層の成膜方法；
本発明の硬質被覆層は、前述したとおり、ＨｉＰＩＭＳ装置を用いたＨｉＰＩＭＳ法により成膜することが好ましい。
ＨｉＰＩＭＳ法は、スパッタリング法の低温成膜が可能な特徴を維持しつつ、短時間大電流をターゲットに流すことにより高密度プラズマを発生させ、イオン化率を向上させることにより、皮膜の硬さが高く、皮膜と基体との界面に高い密着性や付き回り性を実現できる成膜法である。
以下では、具体的にＨｉＰＩＭＳ装置を用いて、工具基体に前記下部層および前記上部層を成膜し、所望の硬質被覆層を製造する方法について説明を行う。

図２（ａ）、（ｂ）に、本発明の硬質被覆層を成膜するための、ＨｉＰＩＭＳ装置の概略図を示す。
図２（ａ）、（ｂ）に示すＨｉＰＩＭＳ装置は、装置中央部に基体装着用の回転テーブルを設け、前記回転テーブルを挟んで、一方側にカソード電極（蒸着源）として所定の組成を有する硬質被覆層成膜用のＺｒＢ_２焼結体ターゲットを、他方側に同じくカソード電極（蒸着源）として所定の組成を有する硬質被覆層成膜用のＢ_４Ｃ焼結体ターゲットを配置し、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または立方晶窒化硼素焼結体のいずれかで構成された工具基体（エンドミル）を前記回転テーブル上に基体自体の自転も可能となるよう配置し、工具基体に表面ボンバード処理を行なった後、次いで、工具基体の温度、導入されるＡｒガスの圧力、成膜時のバイアス電圧値、投入電力量などを調整し、ＨｉＰＩＭＳ装置にて、まず、下部層として、ＺｒＢ_２層を成膜し、次いで、それぞれＢ_４Ｃ層とＺｒＢ_２層とが交互積層されてなる上部層を成膜することにより、本発明に係る所望の特性を有する硬質被覆層を備えた表面被覆切削工具を得ることができる。

なお、この場合のＨｉＰＩＭＳによる成膜条件は、概ね以下のとおりである。
＜ＨｉＰＩＭＳ成膜条件＞
工具基体温度：４５０～５５０℃
バイアス電圧：５０～１００（－Ｖ）
Ａｒガス圧力：０．４～０．６Ｐａ
投入電力量 ：１０００～１５００（Ｗ）
パルス周波数：８００（Ｈｚ）
パルス印加時間：７５～１００（μｓ）
※ピーク電流：１００（Ａ）を超えないように電力量を調整

本発明に係る被覆工具は、前述のとおり、工具基体上に成膜される硬質被覆層を、工具基体側より、下部層および上部層の順にて積層してなり、前記下部層を耐摩耗性にすぐれるＺｒＢ_２層とし、上部層は、工具基体側より、それぞれ５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚みを有する耐チッピング性にすぐれたＢ_４Ｃ層と耐摩耗性にすぐれたＺｒＢ_２層を、Ｂ_４Ｃ層およびＺｒＢ_２層の順にて複数回交互積層してなる積層構造の層とすることにより、十分な耐摩耗性を発揮し、耐チッピング性、耐欠損性を兼ね備えたすぐれた特性を有する表面被覆切削工具であって、特に、ＴｉおよびＮｉ基合金等の溶着性が高い難削材料加工用として、長期にわたり工具寿命の向上をもたらすものである。

本発明被覆切削工具の概略縦断面模式図の一例を示す。 本発明被覆切削工具の硬質被覆層を形成するために用いるＨｉＰＩＭＳ装置の概略図を示し、（ａ）概略平面図、（ｂ）は、概略正面図である。

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。
なお、具体的な説明としては、ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットを工具基体とする被覆工具について説明するが、立方晶窒化硼素焼結体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。

工具基体の作製；
原料粉末として、いずれも０．５～５μｍの平均粒径を有する、Ｃｏ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２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て配合し、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の圧力で所定形状の圧粉成形体に押出しプレス成形し、これらの圧粉成形体を５Ｐａの真空中、７℃／分の昇温速度にて１３７０～１４７０℃の範囲内の所定の温度に昇温し、１時間保持後、炉冷にて焼結し、直径１０ｍｍの工具基体形成用丸棒焼結体を形成し、さらに、前記丸棒焼結体から研削加工により、切刃部の直径×長さが２ｍｍ×６ｍｍ、全長４５ｍｍ、シャンク径４ｍｍの二枚刃ボール形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体(エンドミル)Ａ、Ｂをそれぞれ製造した。

また、原料粉末として、いずれも０．５～５μｍの平均粒径を有する、ＴｉＣＮ（質量比にてＴｉＣ／ＴｉＮ＝５０／５０）粉末、ＮｂＣ粉末、Ｍｏ_２Ｃ粉末、ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末およびＮｉ粉末を用意し、これら原料粉末を、表２に示される配合組成にて配合し、その後、前記ＷＣ基超硬合金製の工具基体(エンドミル)Ａ、Ｂと同様の製造工程にて、同形状のＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体（エンドミル）Ｃ、Ｄを製造した。

成膜工程；
前記工具基体に対して、図２に示すＨｉＰＩＭＳ装置を用いて成膜を行ない、本発明の被覆工具を作製した。
（ａ）前記工具基体Ａ、ＢおよびＣ、Ｄのそれぞれいずれか一種をアセトン液中に浸漬した状態で超音波洗浄槽にて脱脂洗浄し、乾燥後、図２に示すＨｉＰＩＭＳ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沿って複数個装着し、前記回転テーブルを挟んで対向する位置の一方側に下部層のＺｒＢ_２層形成用および上部層のＺｒＢ_２層形成用として用いるＨＩＰにて焼結したＺｒＢ_２ターゲット（カソード電極）を配置し、他方側に上部層のＢ_４Ｃ層形成用として用いるＨＩＰにて焼結したＢ_４Ｃターゲット（カソード電極）を配置した。
（ｂ）まず、下部層（ＺｒＢ_２層）の成膜に先立ち、ＨｉＰＩＭＳ装置内を排気し、１０^－２Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒーターにて装置内を５００℃に加熱した後、０．２～３．０ＰａのＡｒガス雰囲気に設定し、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に－４００～－１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、５～３０分間ボンバードによる洗浄処理を行った。
（ｃ）次いで、下部層（ＺｒＢ_２層）の成膜に際しては、装置内の雰囲気を表３に示す所定圧のＡｒガス雰囲気に維持するとともに、前記回転テーブル上にて自転する工具基体の温度、回転テーブルの回転数、および、工具基体とＺｒＢ_２ターゲット（カソード電極）との間に印加される直流バイアス電圧を表３に示すものとし、ＺｒＢ_２ターゲット（カソード電極）に、表３に示す成膜条件にて、電力（Ｗ）を投入し、ＨｉＰＩＭＳ装置による成膜により、表５に示す目標平均組成および目標平均層厚を有する下部層を形成した。
（ｄ）次いで、Ｂ_４Ｃ層とＺｒＢ_２層との交互積層からなる上部層の成膜に際しては、下部層の成膜に用いたＺｒＢ_２ターゲット（カソード電極）を引き続き上部層のＺｒＢ_２層成膜用のターゲットとし、新たにＢ_４Ｃターゲット（カソード電極）を上部層のＢ_４Ｃ層成膜用のターゲットとして、表３の上部層の成膜条件にて、電力（Ｗ）を投入し、ＨｉＰＩＭＳ法による成膜により、Ｂ_４Ｃ層およびＺｒＢ_２層のそれぞれについて、表５に示す目標平均組成および目標とする一層当たりの平均層厚、および、両層の積層回数、両層の全平均層厚を有する上部層が成膜され、本発明被覆工具としての表面被覆エンドミル（以下、「本発明被覆工具」という。）１～１２を作製した。
なお、前記交互積層により得られるＢ_４Ｃ層およびＺｒＢ_２層の層厚、並びに、各層の層厚比は、テーブルの回転速度、ターゲットパルス時間および投入電力を調整することにより、適宜変更することができる。

また、比較の目的にて、前記工具基体Ａ、ＢおよびＣ、Ｄについて、表４に示す条件にて、下部層および上部層を成膜し、次いで、表６にて示される目標平均組成、および、目標平均層厚を有する比較例被覆工具としての表面被覆エンドミル（以下、「比較例被覆工具」という。）１～１２を作製した。

上記にて作製した本発明被覆工具１～１２および比較例被覆工具１～１２について、収束イオンビーム（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ：ＦＩＢ）を用いて前記被覆工具の切れ刃部の軸方向縦断面を加工し、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）または透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いたエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）、オージェ電子分光法（Ａｕｇｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＡＥＳ）や電子線マイクロアナライザー（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｉｚｅｒ：ＥＰＭＡ）を用いて皮膜の断面の成分組成を分析した。下部層の層厚については、下部層厚を５箇所測定し、その平均値から平均組成および平均層厚を算出した。
また、上部層の層厚においても同様に、前記切れ刃部の軸方向縦断面において、上部層の交互積層により得られるＢ_４Ｃ層およびＺｒＢ_２層の各層について、成分組成および層厚をＴＥＭまたはＳＥＭにより５箇所測定し、Ｂ_４Ｃ層の平均組成と一層当たりの平均層厚、および、ＺｒＢ_２層の平均組成と一層当たりの平均層厚、さらには、積層回数ｎより、上部層全体の全平均層厚、硬質被覆層の合計平均層厚を算出した。

次に、本発明被覆工具１～１２、比較例被覆工具１～１２に係るエンドミルについて、
下記の切削条件により、Ｔｉ基合金の溝加工試験を行うことにより、切刃の逃げ面摩耗幅を測定することにより、工具寿命を評価した。
＜切削条件Ａ＞
被削材 ：Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金
幅６０ｍｍ×長さ２５０ｍｍ 厚さ５０ｍｍ
切削速度： ８５ｍ／ｍｉｎ
回転速度： ６７７０ ｍｉｎ^－１
切込み量： ａｐ ２．５ｍｍ、 ａｅ ０．３ｍｍ
送り速度（１刃当り）：０．０２ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
切削長： ５０ｍ
前記切削試験の結果を表７に示す。

表７に示される結果によれば、本発明被覆工具１～１２では、溶着が抑制されたことにより、逃げ面摩耗幅が大幅に減少しており、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮するものであることが明らかとなった。
他方、比較工具３、５、９、１２では、溶着抑制効果は十分ではなくチッピングを生じ、比較工具１では、本発明工具に対して、逃げ面摩耗幅が大きく進行した。さらに、比較工具７、１０においては、いずれも、欠損を生じ、使用寿命に至った。

本発明被覆工具は、溶着の発生を抑制することでＴｉ基合金などの難削材の高能率高送り切削加工においてすぐれた切削性能を発揮することにより、使用寿命の延命化を可能とするものであり、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可能である。

Claims (1)

1. ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメットおよび立方晶窒化硼素焼結体のいずれかからなる工具基体表面に接して硬質被覆層を有する表面被覆切削工具において、
   （ａ）前記硬質被覆層は前記工具基体の表面側より順に下部層および上部層の二層を有
   してなり、その合計平均層厚は、１．０μｍ以上８．０μｍ以下であり、
   （ｂ）前記下部層は、ＺｒＢ_２層からなり、その平均層厚ｘ_１は、
   ０．５μｍ以上４．０μｍ以下であり、
   （ｃ）前記上部層は、前記工具基体の表面側からＢ_４Ｃ層とＺｒＢ_２層とが交互に積層
   されてなる二層以上の多層被覆層であり、
   各Ｂ_４Ｃ層および各ＺｒＢ_２層の平均層厚は、それぞれ５ｎｍ以上５０ｎｍ以下
   であり、
   前記上部層の合計平均層厚ｙ_１は、０．５μｍ以上４．０μｍ以下であることを
   特徴とする表面被覆切削工具。
   

Images