JPWO2008078592A1 - 表面被覆工具および被切削物の加工方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】 表面被覆工具は、基体と、基体の表面に設けられ、ＴｉとＷとを窒化物または炭窒化物として含む被覆層とを具備する。被覆層は、マトリックスと、マトリックス中に分散する分散粒子とを具備する。分散粒子のＷ含有量はマトリックスのＷ含有量よりも多く、かつマトリックスと分散粒子におけるＷ含有量の差が他の成分の含有量の差よりも大きい。そして、この表面被覆工具からなり切刃を有する切削工具を準備し、切削工具の切刃を被切削物に接触させ、被切削物を切削工具により切削加工する。【選択図】 図１

Description

本発明は基体の表面に被覆層を成膜してなる表面被覆工具および被切削物の加工方法に関する。

現在、パンチやヘッダ等の冷間鍛造や温熱鍛造工具等の耐摩工具、切削工具といった工具では、耐摩耗性や摺動性、耐欠損性を必要とする。このような工具では、ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメット、セラミックス、ダイヤモンドまたはｃＢＮ等の硬質材料基体の表面に様々な被覆層を成膜して耐摩耗性、摺動性、耐欠損性を向上させる手法が使われている。

かかる被覆層として、ＴｉＣＮ層やＴｉＡｌＮ層が一般的に広く採用されているが、より高い耐摩耗性と耐欠損性の向上を目的として種々な改善がなされている。

例えば、特開２００１−２９３６０１号公報では、基体の表面にＢ_４Ｃ、ＢＮ、ＴｉＢ_２、ＴｉＢ、ＴｉＣ、ＷＣ、ＳｉＣ、ＳｉＮ_ｘ（ｘ＝０．５〜１．３３）およびＡｌ_２Ｏ_３よりなる群から選択される少なくとも１種の非常に高硬度の超微粒化合物を含む耐摩耗性被膜を被覆した切削工具が記載され、超微粒化合物を含むことによって被膜の硬度が向上することが開示されている。

また、特開平１０−２５１８３１号公報では、ＴｉＡｌＭＮ系硬質被覆層を成膜した後に加熱酸化処理を施して、ＴｉＡｌＭＮ系の素地中にＴｉ酸化物、Ａｌ酸化物およびＭ酸化物等が分散分布した組織とした硬質被覆層が開示されている。

さらに、特開２００２−１２９３０６号公報では、ＴｉＡｌＮ系硬質膜中に、膜の素地と組成比率の異なるＴｉＡｌＮ複合窒化物分散粒子や、膜の素地と異なる元素を含むＴｉＡｌＶＮ、ＴｉＡｌＺｒＮ、ＴｉＡｌＣｒＮ等の分散粒子を分散させて膜を強化した複合硬質膜が開示されている。

本発明の一つの観点によれば、表面被覆工具は、
基体と、
該基体の表面に設けられ、ＴｉとＷとを窒化物または炭窒化物として含む被覆層とを具備し、
前記被覆層は、
マトリックスと、
該マトリックス中に分散する分散粒子とを具備し、
該分散粒子のＷ含有量が前記マトリックスのＷ含有量よりも多く、かつ前記マトリックスと前記分散粒子におけるＷ含有量の差が他の成分の含有量の差よりも大きい。

本発明の他の観点によれば、被切削物の加工方法は３つの工程を具備する。最初の工程では、上記の表面被覆工具からなり切刃を有する切削工具を準備する。次の工程では、切削工具の切刃を被切削物に接触させる。最後の工程では、被切削物を切削工具により切削加工する。

本発明の実施形態にかかる表面被覆工具である表面被覆切削工具について以下に説明する。

表面被覆切削工具（以下、単に工具と略す）では、すくい面と逃げ面との交差稜線が切刃である形状をなしている。そして、基体１の表面を被覆層２が覆っている。

ここで、被覆層２は、ＴｉとＷとを含む窒化物または炭窒化物からなる。図１および２によれば、マトリックスは柱状粒子３にて構成されている。そして、柱状粒子３内または柱状粒子３間の少なくとも一方に分散粒子が存在している。なお、図１および図２によれば、分散粒子は粒状粒子４をなしており、図１および２では略球状の球状粒子となっている。そして、図３に示すように、粒状粒子４の組成（Ｂ部）は、柱状粒子３の組成（Ａ部）に対してＷの含有量が多く、かつ柱状粒子３の組成（Ａ部）と粒状粒子４（Ｂ部）のそれぞれの組成におけるＷの含有量の差が他の成分の含有量の差よりも大きい。

上記構成によって、被覆層２の内部に発生する残留応力を低減できて被覆層２の厚みが３μｍ以上と厚い場合でも自己破壊することない。そのために、部分的な欠けや剥離のない安定した被覆層２となるとともに、被覆層２の靭性が高くて耐欠損性が向上する。

なお、本発明において、柱状粒子３とは、被覆層２の厚み方向（結晶長さ（基体との界面に対して垂直な方向）／結晶幅（基体との界面に対して平行な方向）＝アスペクト比が１．５以上の結晶を指す。また、図１、２から明らかなとおり、本発明の柱状粒子は縦断面が縦長の長方形形状だけに限定されるものではなく、縦方向の先端が先細りした三角形形状をなしていてもよい。また、マトリックス中には図１に示すような粗大粒子５が存在することもある。

一方、本発明における粒状粒子４とは、前記アスペクト比が１．５より小さい結晶を指すが、本発明においては、分散粒子（粒状粒子４）の断面形状が円形で多角形のような角部がなく立体的には球状の球状粒子であることが、残留応力の緩和効果を高める点で望ましい。

ここで、粒状粒子４の組成は、図３に示した図１の被覆層２の組成のように、Ｗを必須として含有するが、Ｗおよび窒素（Ｎ）以外に、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍ、Ｓｉ、Ｃｏを含有していることが、粒状粒子４の硬度および靭性を改善するために望ましい。

かかる組成の被覆層２によれば、分散粒子（粒状粒子４）の組成は、ＷＮ_ｘ（ただし、０≦ｘ≦１である。）からなってもよいが、例えば、（Ｔｉ_{１−ａ−ｂ−ｃ}Ａｌ_ａＭ_ｂＷ_ｃ）（Ｃ_１−ｘＮ_ｘ）_ｚ（ただし、ＭはＴｉとＷとを除く周期表４、５、６族元素、希土類元素およびＳｉから選ばれる１種以上であり、０≦ａ≦０．４、０≦ｂ≦０．５、０．０１≦ｃ≦１、０．２≦ｘ≦１、０．１≦ｚ≦１である。）からなることが、耐欠損性の向上のために望ましい。

また、柱状粒子３の組成は、例えば、（Ｔｉ_{１−ａ−ｂ−ｃ}Ａｌ_ａＭ_ｂＷ_ｃ）（Ｃ_１−ｙＮ_ｙ）_ｚ（ただし、ＭはＴｉとＷとを除く周期表４、５、６族元素、希土類元素およびＳｉから選ばれる１種以上であり、０．４≦ａ≦０．７、０≦ｂ≦０．５、０．０１≦ｃ≦０．３、０．２≦ｙ≦１、０．９≦ｚ≦１．１である。）からなることが、柱状粒子３と粒状粒子４との密着性を高めて耐欠損性を向上できるために望ましい。

なお、上記構成において、被覆層２の全体の組成は、（Ｔｉ_{１−ａ−ｂ−ｃ}Ａｌ_ａＭ_ｂＷ_ｃ）（Ｃ_１−ｙＮ_ｙ）_ｚ（ただし、ＭはＴｉとＷとを除く周期表４、５、６族元素、希土類元素およびＳｉから選ばれる１種以上であり、０．４≦ａ≦０．６５、０≦ｂ≦０．５、０．０１≦ｃ≦０．３、０．２≦ｙ≦１、０．９≦ｚ≦１．１である。）となることが、工具として必要な耐摩耗性と耐欠損性を維持できるために望ましい。

特に、上記組成の中でも、ＭとしてＳｉを０．０１〜０．０５（１〜５原子％）の比率で含むことが望ましく、この組成領域では、被覆層２の酸化開始温度が高くなって耐酸化性が高くて切削時の耐摩耗性が向上するとともに切刃先端に発生しやすいチッピングが抑制できて耐欠損性が高いものとなる。なお、この場合、金属ＭとしてＮｂまたはＭｏを含有することが耐摩耗性・耐酸化性に最も優れる点から望ましい。

また、上記被覆層２の非金属成分であるＣ、Ｎは切削工具に必要な硬度および靭性に優れたものであり、被覆層２表面に発生する粗大粒子（ドロップレット）５を抑制するために、ｙ（Ｎ含有量）の特に望ましい範囲は０．５≦ｙ≦１である。ここで、本発明によれば、上記被覆層２の組成は、エネルギー分散型Ｘ線分光分析法（ＥＤＸ）またはＸ線光電子分光分析法（ＸＰＳ）にて測定できる。

そして、上記被覆層２は３μｍ以上と厚膜化しても被覆層２がチッピングしにくく、被覆層２の膜厚が０．５〜６μｍであっても被覆層２が剥離やチッピングすることを防止できて十分な耐摩耗性を維持することができる。

ここで、粒状粒子４の平均粒径が５〜２００ｎｍであることが、被覆層２の靭性を高めることができる点で望ましい。また、柱状粒子３の平均結晶幅が５０〜５００ｎｍであることが、被覆層２の硬度および強度を高めて耐摩耗性を向上できるために望ましい。

さらに、断面組織観察における分散粒子（粒状粒子４）の存在比率は０．１〜２５面積％であることが、被覆層２の耐欠損性を高めることができるとともに、被覆層２の耐摩耗性を維持できる点で望ましい。断面組織観察における分散粒子（粒状粒子４）の存在比率の特に望ましい範囲は０．１〜１０面積％、さらに望ましい範囲は０．１〜５面積％である。

また、分散粒子（粒状粒子４）の外周部におけるＮ含有量（ｘ_ｓｕｆ）が該分散粒子（粒状粒子４）の中心部におけるＮ含有量（ｘ_ｉｎ）よりも多いことが、粒状粒子４の靭性が高くかつ耐塑性変形性を高めることができる点で望ましい。

さらに、被覆層２の表面におけるＡｌ含有量：ｂ_ｓが基体１の近傍におけるＡｌ含有量：ｂ_ｂよりも大きいこと、特に前記ｂ_ｓと前記ｂ_ｂとの比（ｂ_ｓ／ｂ_ｂ）が１．１〜１．２５であることが、表面被覆工具の高温における耐酸化性を高める点で望ましい。そして、耐酸化性を推測する評価方法に相当する、上記構成の表面被覆工具を大気中、１０００℃で1時間保持した試験での重量変化率は２．５％未満であることが望ましい。

なお、基体１としては、炭化タングステンや、炭窒化チタンを主成分とする硬質相とコバルト、ニッケル等の鉄族金属を主成分とする結合相とからなる超硬合金やサーメットの他、窒化ケイ素や、酸化アルミニウムを主成分とするセラミックス、多結晶ダイヤモンドや立方晶窒化ホウ素からなる硬質相と、セラミックスや鉄族金属等の結合相とを超高圧下で焼成する超高圧焼結体等の硬質材料が好適に使用される。また、鋼や高速度鋼も使用可能である。

（製造方法）
次に、本発明の表面被覆工具の一例である表面被覆切削工具の製造方法について説明する。

まず、工具形状の基体１を従来公知の方法を用いて作製する。次に、基体１表面に、被覆層２を成膜する。被覆層２の成膜方法として、イオンプレーティング法やスパッタリング法等の物理蒸着（ＰＶＤ）法が好適に適応可能である。成膜方法の一例についての詳細について説明すると、被覆層２をイオンプレーティング法で作製する場合には、金属チタン（Ｔｉ）、金属アルミニウム（Ａｌ）、金属タングステン（Ｗ）、金属シリコン（Ｓｉ）、金属Ｍ（ＭはＮｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｙから選ばれる１種以上）をそれぞれ独立に含有する金属ターゲットまたは複合化した合金ターゲットに用い、アーク放電やグロー放電などにより金属源を蒸発させイオン化すると同時に、窒素源の窒素（Ｎ_２）ガスや炭素源のメタン（ＣＨ_４）／アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）ガスと反応させて成膜する。また、成膜雰囲気として窒素（Ｎ_２）ガスとアルゴン（Ａｒ）ガスの混合ガスを成膜チャンバ内が１〜１０Ｐａとなるように導入することによって、被覆層２の基体に対する密着力と硬度が向上する。

このとき、ターゲットとして、メインターゲットである第１ターゲットとサブターゲットである第２ターゲットとの２種類を用いる。第２ターゲットは、窒化タングステン（ＷＮ）からなるもの、窒化タングステン（ＷＮ）とタングステン（Ｗ）との混合物からなるもの、窒化タングステン（ＷＮ）と、所望によりタングステン（Ｗ）との混合物を主とし、これにさらにＴｉ源やＡｌ源も含む混合物からなるものが挙げられる。第１ターゲットは、残りの成分を供給するための組成で構成される。そして、この２種類のターゲットを用いて、イオンプレーティング法またはスパッタリング法によって被覆層２を成膜することによって、上述したマトリックス（柱状粒子３）中にＷ含有量の多い分散粒子（粒状粒子４）が分散した被覆層２を作製することができる。

なお、被覆層２の成膜方法としては、被覆層２の結晶構造および配向性を制御して高硬度な被覆層２を作製できるイオンプレーティング法やスパッタリング法を採用することが望ましく、中でも基体１との密着性を高めるためにイオンプレーティング法を用いて３０〜２００Ｖのバイアス電圧を印加する条件で成膜することが好ましい。

また、上記第３ターゲットとは別に金属アルミニウム（Ａｌ）単体、または金属アルミニウム（Ａｌ）の含有量が多い第３ターゲットを準備して、成膜後半にこのターゲットへの放電パワーを高めることによって、被覆層表面におけるＡｌ含有量：ｂ_ｓが前記基体近傍におけるＡｌ含有量：ｂ_ｂよりも大きい被覆層を成膜することができる。

本発明を切削工具の実施形態を通して説明したが、本発明はスローアウェイチップやドリル、エンドミル等の切削工具に限定されるものではなく、パンチやヘッダ等の冷間鍛造や温熱鍛造工具等の耐摩工具、ソリッド型の切削工具といった他の工具にも適応することができる。

平均粒径０．５μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末に対して、金属コバルト（Ｃｏ）粉末を１０質量％、炭化バナジウム（ＶＣ）粉末と炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）粉末を合計で１質量％の割合で添加、混合し、エンドミル形状に成型して焼成した。そして、研削工程を経た後、アルカリ、酸、蒸留水の順によって表面を洗浄して、外径１６ｍｍの４枚刃エンドミル基体を作製した。

そして、表１、２に示すメインターゲットとサブターゲットとを装着したアークイオンプレーティング装置またはスパッタリング装置内に上記基体をセットし５５０℃に加熱した後、表１、２に示す被覆層を成膜した。なお、成膜条件は窒素ガスとアルゴンガスの混合ガスを総圧力４Ｐａの雰囲気中、基体の加熱温度５５０℃、表１に示すバイアス電圧とした。また、アークイオンプレーティング法ではアーク電流１５０Ａ、ホロカソードイオンプレーティング法では電流２００Ａ、スパッタリング法では電力５０００Ｗとした。さらに、各ターゲットの比率や配置を変えることによって分散粒子の存在比率などの被覆層の組織や組成を調整した。

得られたエンドミルについて、キーエンス社製走査型電子顕微鏡（VE8800）を用いて倍率５００倍にて観察を行い、同装置に付随のＥＤＡＸアナライザ（AMETEK EDAX-VE9800）を用いて加速電圧１５ｋＶにてエネルギー分散型Ｘ線分光分析法（ＥＤＸ）の一種であるＺＡＦ法により被覆層の全体組成の定量分析を行った。また、この方法で検出ピークが他の元素の検出ピークと重なってしまうために測定できなかった元素、例えばＴｉの検出ピークと検出ピークが重なる窒素については、ＰＨＩ社製Ｘ線光電子分光分析装置（Quantum2000）を用い、Ｘ線源はモノクロＡｌＫ（２００μｍ、３５Ｗ、１５ｋＶ）を測定領域約２００μｍに照射して測定を行って詳細な組成を決定した。さらに、断面顕微鏡写真より被覆層の層厚を測定した。結果は表１、２に示した。

さらに、被覆層を透過型電子顕微鏡にて観察してＷ含有量の多い粒状粒子の有無を確認し、さらにマトリックス（柱状粒子）および分散粒子（粒状粒子）についてはエネルギー分散分光分析法（ＥＤＳ）によって任意３つの結晶について組成を定量するとともに、中心部と外周部のＮ量を定量した。また、１μｍ×５μｍの任意領域３箇所について粒状粒子の面積比率を算出した。結果は表３〜５に示した。

次に、得られたエンドミルを用いて、エンドミルの切刃を被切削物（被削材）の加工部分に当てて以下の切削条件にて切削試験を行った。結果は表３、５に記載した。

切削方法：肩加工（ダウンカット）
被削材 ：ＳＣＭ４４０
切削速度：８０ｍ／ｍｉｎ
送り ：０．０２５ｍｍ／刃
切り込み：切り込み深さа_ｐ＝１８ｍｍ×横切込みа_е＝１．５ｍｍ
切削状態：エアブロー
評価方法：９０分間切削後のチッピングの有無、逃げ面摩耗幅測定

表１〜５より、本発明の分散粒子（粒状粒子）が存在しない試料Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１２およびＮｏ．２４では、切刃にチッピングが発生して早期に欠損に至った。また、ＷＣの分散粒子である粒状粒子が分散したＮｏ．１３、粒状粒子中にＷを含有しない試料Ｎｏ．２６、および柱状粒子と比較して粒状粒子中のＮｂの含有量が最も多くなっている試料Ｎｏ.２５でも切刃にチッピングが発生して早期に欠損に至った。

これに対し、本発明の分散粒子である粒状粒子が分散した試料Ｎｏ．１〜１０および試料Ｎｏ．１４〜２３では、耐欠損性が向上して切削性能に優れたものであった。

実施例１のエンドミルの製造方法において、アークイオンプレーティング装置を用いて
、上記ターゲットの組成を調整するとともに、これら第１ターゲット、第２ターゲットとは別にメインターゲットに対して金属アルミニウム（Ａｌ）の含有量が２倍と多い第３ターゲットを準備した。そして、成膜開始時にはこの第３ターゲットへの放電パワーをゼロとし、成膜後半に向かって１分おきにバイアス電圧を強くしていき成膜終了時点でのバイアス電圧を５０Ｖとする成膜条件とする以外は実施例１と同様にエンドミルを作製した。実施例１と同様に被覆層の分析を行い表６に示した。

また、被覆層の層厚と組成の定量分析については、実施例１と同じ方法で分析を行った。そして、このデータから被覆層の基体直上におけるＡｌの含有量ｂ_ｂと被覆層の表面付近におけるＡｌの含有量ｂ_ｓとの比率（ｂ_ｓ／ｂ_ｂ）を算出した。さらに、エンドミルを大気中にて昇温速度１０℃／分で１０００℃まで加熱し１時間保持して降温速度１０℃／分で冷却する酸化試験を行い、試験の前後における重量変化率を測定した。結果を表６、７に記載した。

さらに、得られたエンドミルを用いて、エンドミルの切刃を被切削物（被削材）の加工部分に当てて以下の切削条件にて切削試験を行った。結果は表７に記載した。

切削方法：肩加工（ダウンカット）
被削材 ：ＳＫＤ１１
切削速度：８０ｍ／ｍｉｎ
送り ：０．０２ｍｍ／刃
切り込み：切り込み深さа_ｐ＝１８ｍｍ×横切込みа_е＝１．５ｍｍ
切削状態：エアブロー
評価方法：５０分間切削後のチッピングの有無、逃げ面摩耗幅測定

表６、７より、被覆層表面におけるＡｌ含有量の比率が被覆層の基体近傍に比べて高い試料Ｎｏ．２７〜３１、３３、３５および３６では、さらに被覆層表面における高温での耐酸化性が向上して過酷な切削条件であっても優れた切削性能を示した。

本発明のひとつの実施形態にかかる表面被覆工具における被覆層の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。 本発明の他の実施形態にかかる工具における被覆層の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。 図２において被覆層に示された柱状粒子（Ａ部）および粒状粒子（Ｂ部）についてのエネルギー分散型分光分析（ＥＤＳ）データである。

符号の説明

１ 基体
２ 被覆層
３ 柱状粒子
４ 粒状粒子
５ 粗大粒子（ドロップレット）

Claims (13)

1. 表面被覆工具であって、
   基体と、
   該基体の表面に設けられ、ＴｉとＷとを窒化物または炭窒化物として含む被覆層とを具備し、
   前記被覆層は、
   マトリックスと、
   該マトリックス中に分散する分散粒子とを具備し、
   該分散粒子のＷ含有量が前記マトリックスのＷ含有量よりも多く、かつ前記マトリックスと前記分散粒子におけるＷ含有量の差が他の成分の含有量の差よりも大きい。
2. 請求項１にかかる表面被覆工具であって、
   前記分散粒子がＷＮ_ｘ（ただし、０≦ｘ≦１である。）からなる。
3. 請求項１または２にかかる表面被覆工具であって、
   前記マトリックスが柱状粒子からなる。
4. 請求項１乃至３のいずれかにかかる表面被覆工具であって、
   前記分散粒子が粒状粒子からなる。
5. 請求項３にかかる表面被覆工具であって、
   前記柱状粒子の平均幅が５０〜５００ｎｍである。
6. 請求項４にかかる表面被覆工具であって、
   前記粒状粒子の平均粒径が５〜２００ｎｍである。
7. 請求項１乃至６のいずれかにかかる表面被覆工具であって、
   前記被覆層は、（Ｔｉ_{１−ａ−ｂ−ｃ}Ａｌ_ａＭ_ｂＷ_ｃ）（Ｃ_１−ｙＮ_ｙ）_ｚ（ただし、ＭはＴｉとＷとを除く周期表４、５、６族元素、希土類元素およびＳｉから選ばれる１種以上であり、０．４≦ａ≦０．６５、０≦ｂ≦０．５、０．０１≦ｃ≦０．３、０．２≦ｙ≦１、０．９≦ｚ≦１．１である。）からなる。
8. 請求項１乃至７のいずれかにかかる表面被覆工具であって、
   断面組織観察における前記分散粒子の存在比率が０．１〜２５面積％である。
9. 請求項１乃至８のいずれかにかかる表面被覆工具であって、
   前記分散粒子の外周部におけるＮ含有量（ｘ_ｓｕｆ）が該分散粒子の中心部におけるＮ含有量（ｘ_ｉｎ）よりも多い。
10. 請求項１乃至９のいずれかにかかる表面被覆工具であって、
    前記被覆層の表面におけるＡｌ含有量ｂ_ｓが前記被覆層の前記基体近傍におけるＡｌ含有量ｂ_ｂよりも大きい。
11. 請求項１０にかかる表面被覆工具であって、
    前記ｂ_ｓと前記ｂ_ｂとの比（ｂ_ｓ／ｂ_ｂ）が１．１〜１．２５である。
12. 請求項１０または１１にかかる表面被覆工具であって、
    前記表面被覆工具を大気中、１０００℃で1時間保持した際の重量変化率が２．５％未満である。
13. 被切削物の加工方法であって、
    請求項１乃至１２のいずれか記載の表面被覆工具からなり切刃を具備する切削工具を準備する工程と、
    該切削工具の前記切刃を被切削物に接触させる工程と、
    該被切削物を前記切削工具により切削加工する工程と
    を具備する。

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