JPWO2012144574A1 - 被覆切削工具 - Google Patents

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Abstract

本発明は、摩耗やチッピングによる工具刃先位置の後退が生じにくい、耐摩耗性および耐チッピング性に優れた被覆切削工具の提供を目的とする。本発明の被覆切削工具は、超硬合金基材と、該基材の表面に化学蒸着法によって形成された被膜とを備える被覆切削工具であって、前記被膜の平均膜厚は3〜20μmであり、該被膜は、前記基材の表面に形成された平均膜厚2〜15μmの下部膜と、該下部膜の前記基材と接する面とは反対側の表面に形成された平均膜厚1〜10μmの上部膜とから構成され、前記下部膜は、平均膜厚10〜300nmのTiN膜と平均膜厚0.1〜0.5μmのTiCN膜とを交互に積層した交互積層膜を有し、前記上部膜は酸化アルミニウム膜を有する被覆切削工具である。

Description

本発明は、耐チッピング性及び耐摩耗性に優れ、例えば鋼や鋳鉄などの連続切削は勿論のこと、これらのフライス切削や断続切削に用いた場合にも耐摩耗性に優れた被覆切削工具に関する。
被覆切削工具の従来技術としては、炭化タングステン基超硬合金基体の表面に、平均層厚が3〜10μmであり、粒状結晶組織を有する窒化チタン層と炭窒化チタン層の交互2層以上で構成された硬質被覆層を有し、前記炭窒化チタン層の少なくとも1層が縦長成長結晶組織である表面被覆炭化タングステン基超硬合金製切削工具が挙げられる(例えば、特許文献1参照。)。
また、WC基超硬合金基体の表面に、化学蒸着法を用いてTiN及びTiCNの交互積層からなる多層被覆層を1〜5μmの層厚で形成してなる表面被覆超硬合金製切削工具も、被覆切削工具の従来技術として挙げられる(例えば、特許文献2参照。)。
特開平7−136808号公報 特公平4−033865号公報
近年機械加工の現場では、加工後の被削材の品質、特に加工寸法精度の向上に対する要求が高まってきている。さらに被削材の高硬度化が年々進んでおり、上記の特許文献1または特許文献2に記載された従来の切削工具では、当該工具が取り付けられた切削装置において、逃げ面部の摩耗やチッピングによる工具刃先位置の後退が生じやすい。このため、短い加工時間で被削材の加工寸法が規定の範囲を超えるようになる傾向にあった。
加工現場では被削材の加工寸法の逸脱を是正するため、工具刃先位置の補正を頻繁に行っていた。しかし、工具刃先位置の補正は加工効率を落とすため、従来よりも工具刃先位置の後退が生じにくい切削工具が加工現場から求められていた。
そこで、本発明は摩耗やチッピングによる工具刃先位置の後退が生じにくい、耐摩耗性および耐チッピング性に優れた被覆切削工具の提供を目的とする。
本発明者は、被覆切削工具の摩耗やチッピングによる工具刃先位置の後退を低減すべく研究開発を行った結果、超硬合金基材の表面に、化学蒸着法によって平均膜厚10〜300nmのTiN膜と平均膜厚0.1〜0.5μmのTiCN膜とからなる交互積層膜を有する下部膜を形成し、さらに当該下部膜の表面に、酸化アルミニウム膜を有する上部膜を形成して得られた被覆切削工具は、耐摩耗性および耐チッピング性に優れることを見出した。
この被覆切削工具を使用すれば、摩耗やチッピングによる工具刃先位置の後退が抑制され、それにより被削材の加工寸法の変化が抑制される。そのため、前記加工寸法の変化を抑制するために行われていた工具刃先位置の補正作業の回数が低減される。
本発明の要旨は次のとおりである。
(1)超硬合金基材と、該基材の表面に化学蒸着法によって形成された被膜とを備える被覆切削工具であって、前記被膜の平均膜厚は3〜20μmであり、該被膜は、前記基材の表面に形成された平均膜厚2〜15μmの下部膜と、該下部膜の前記基材と接する面とは反対側の表面に形成された平均膜厚1〜10μmの上部膜とから構成され、前記下部膜は、平均膜厚10〜300nmのTiN膜と平均膜厚0.1〜0.5μmのTiCN膜とを交互に積層した交互積層膜を有し、前記上部膜は酸化アルミニウム膜を有する被覆切削工具。
(2)前記上部膜が、Tiの炭化物、Tiの炭酸化物、Tiの炭窒酸化物、TiとAlとを含む炭酸化物及びTiとAlとを含む炭窒酸化物からなる群より選ばれる少なくとも1種の金属化合物からなる中間膜を備え、該中間膜が前記下部膜に接している(1)に記載の被覆切削工具。
(3)前記交互積層膜の硬度が28GPa〜40GPaである(1)または(2)に記載の被覆切削工具。
(4)前記交互積層膜中のTiCN膜のX線回折測定のsinΨ法により測定した引張残留応力が400MPa以下である(1)〜(3)のいずれかに記載の被覆切削工具。
(5)前記酸化アルミニウム膜がα型酸化アルミニウム膜である(1)〜(4)のいずれかに記載の被覆切削工具。
(6)前記被覆切削工具において、前記上部膜の前記下部膜と接する面と反対側の表面の算術平均粗さRaが、0.03〜0.3μmである(1)〜(5)のいずれかに記載の被覆切削工具。
(7)前記被膜の平均膜厚が3.5〜18μmである(1)〜(6)のいずれかに記載の被覆切削工具。
(8)前記下部膜の平均膜厚が2〜13μmである(1)〜(7)のいずれかに記載の被覆切削工具。
(9)前記交互積層膜中のTiN膜の平均膜厚が10〜250nmである(1)〜(8)のいずれかに記載の被覆切削工具。
(10)前記交互積層膜中のTiCN膜の平均膜厚が0.15〜0.4μmである(1)〜(9)のいずれかに記載の被覆切削工具。
(11)前記交互積層膜の平均膜厚が2〜15μmである(1)〜(10)のいずれかに記載の被覆切削工具。
(12)前記交互積層膜におけるTiN膜及びTiCN膜の積層数が4〜120層である(1)〜(11)のいずれかに記載の被覆切削工具。
(13)前記中間膜の平均膜厚が0.1〜2μmである(2)〜(12)のいずれかに記載の被覆切削工具。
(14)前記中間膜が、TiC、TiCO、TiCNO、TiAlCO又はTiAlCNOからなる膜である(2)〜(13)のいずれかに記載の被覆切削工具。
本発明の被覆切削工具は優れた耐摩耗性および耐チッピング性を示す。本発明の被覆切削工具を使用すると、当該工具を取り付けた切削装置において、摩耗やチッピングによる工具刃先位置の後退が抑制され、被削材の加工寸法の変化が生じにくく、工具刃先位置の補正回数を低減することができ、種々の加工製品の生産性向上につながる。
[被覆切削工具]
本発明の被覆切削工具は、超硬合金基材と、化学蒸着法によって当該超硬合金基材の表面に形成された被膜とを備える。
〔超硬合金基材〕
前記超硬合金基材は、例えば、WCおよび、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、MoもしくはWの炭化物、窒化物、炭窒化物ならびにこれらの相互固溶体からなる群より選ばれる少なくとも1種からなる硬質相形成粉末と、Coの結合相形成粉末との混合粉末を焼結して得られる超硬合金である。
このようにして得られた超硬合金は、WCの硬質相とCoを主成分とする結合相、または、WCの硬質相と、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、MoもしくはWの炭化物、窒化物、炭窒化物およびこれらの相互固溶体からなる群より選ばれる少なくとも1種からなる硬質相と、Coを主成分とする結合相とで構成される。
また、WCの硬質相と、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、MoおよびWの中から選ばれた2種以上の金属元素を含む炭化物、窒化物、炭窒化物およびこれらの相互固溶体からなる群より選ばれる少なくとも1種からなる硬質相(β相)と、Coを主成分とする結合相とで構成される超硬合金基材の表面近傍に、WCの硬質相とCoを主成分とする結合相とからなる脱β層が形成されると、本発明の被覆切削工具は優れた靱性を発揮し、偏摩耗、欠損等の発生もなく長期の使用に亘って優れた耐摩耗性を発揮する。
当該脱β層の平均厚みは、1μm未満であると本発明の被覆切削工具の耐欠損性が低下する傾向が見られ、30μmを超えると被覆切削工具の耐塑性変形性が低下する傾向が見られる。そのため、本発明においては、脱β層の平均厚みを1〜30μmとすると好ましく、その中でも耐欠損性を向上させる観点から、脱β層の平均厚みは、5〜25μmであることがさらに好ましい。
また、以上説明した超硬合金基材の厚みは特に制限されないが、通常1〜120mmである。
〔被膜〕
本発明の被覆切削工具を構成する被膜は化学蒸着法によって形成される。化学蒸着法によって形成すると、前記基材と被膜との密着強度を高くすることができる。これは、化学蒸着法の温度が高く、前記基材と被膜との界面で超硬合金基材成分の拡散が生じるためと考えられる。そのため前記被膜を化学蒸着法によって形成すると、物理蒸着法で形成した場合に比べて耐剥離性および耐チッピング性に優れた被覆切削工具が得られる。
本発明の被覆切削工具を構成する被膜の平均膜厚は、3μm未満であると被覆切削工具の耐摩耗性が低下し、一方20μmを超えると刃先がチッピングしやすくなる。そのため本発明においては、被膜の平均膜厚を3〜20μmとする。
なお、本明細書において平均膜厚は、透過型電子顕微鏡を用いて膜の断面から、任意の5ヶ所の厚みを測定し、その平均値として求められる。以下同様である。
また、本発明の被覆切削工具において優れた耐摩耗性を達成し、チッピングを抑制する観点からは、前記被膜の平均膜厚は3.5〜18μmであることが好ましい。
<下部膜>
前記被膜は下部膜と上部膜とから構成されるが、該下部膜は超硬合金基材の表面に化学蒸着法によって形成される。前記下部膜の平均膜厚は、2μm未満であると被覆切削工具の耐摩耗性が低下し、15μmを超えると被膜の剥離を起点としたチッピングが発生しやすくなる。そのため本発明においては、前記下部膜の平均膜厚を2〜15μmとする。
本発明の被覆切削工具において優れた耐摩耗性を達成し、チッピングを抑制する観点からは、前記下部膜の平均膜厚は2〜13μmであることが好ましい。
(交互積層膜)
このような下部膜は、平均膜厚10〜300nmのTiN膜と平均膜厚0.1〜0.5μmのTiCN膜とを交互に積層した交互積層膜を有する。TiN膜は靭性に優れ、TiCN膜は耐摩耗性に優れるので、これらの交互積層膜を使用することで、本発明の被覆切削工具の靭性及び耐摩耗性の両方を向上させることができる。
前記交互積層膜において、化学蒸着法によっては平均膜厚10nm未満のTiN膜を形成することは非常に困難であり、一方TiN膜の平均膜厚が300nmを超えると被覆切削工具の耐摩耗性が低下する。このことから、交互積層膜のTiN膜の平均膜厚を10〜300nmとする。なお、被覆切削工具の耐摩耗性の観点から、TiN膜の平均膜厚は好ましくは10〜250nmである。
次に、前記交互積層膜においてTiCN膜の平均膜厚は、0.1μm未満であると本発明の被覆切削工具の耐摩耗性が低下し、一方平均膜厚が0.5μmを超えると、交互積層膜の剥離を起点としたチッピングが発生しやすくなる。このことから、前記交互積層膜のTiCN膜の平均膜厚を0.1〜0.5μmとする。なお、被覆切削工具において優れた耐摩耗性を達成し、チッピングを抑制する観点からは、TiCN膜の平均膜厚は、好ましくは0.15〜0.4μmである。
以上説明したTiN膜及びTiCN膜が交互に積層されてなる交互積層膜全体の平均膜厚は、2μm未満であると本発明の被覆切削工具の耐摩耗性が低下し、一方平均膜厚が15μmを超えると被膜の剥離を起点としたチッピングが発生しやすくなる。そのため前記交互積層膜全体の平均膜厚は2〜15μmであることが好ましい。
さらに、前記交互積層膜におけるTiN膜及びTiCN膜の積層数は、本発明の被覆切削工具の耐摩耗性の観点から通常4〜120層、好ましくは10〜100層である。ここで積層数は、TiN膜を1層、TiCN膜を1層と数えたとき、合計で何層存在するかを表す。
交互積層膜が超硬合金基材と接している場合、TiN膜とTiCN膜のいずれが前記基材と接していてもよい。なお、密着性の観点からは、TiN膜が前記基材と接していることが好ましい。
また後述する通り、下部膜の上には上部膜が形成されるが、交互積層膜がこの上部膜と接している場合、TiN膜とTiCN膜のいずれが前記上部膜と接していてもよい。なお、密着性の観点からは、TiCN膜が前記上部膜と接していることが好ましい。
交互積層膜の硬度が40GPaを超えると交互積層膜の靭性が低下し、交互積層膜の剥離を起点としたチッピングが発生しやすくなる傾向が見られる。逆に交互積層膜の硬度が低く28GPa未満であると、本発明の被覆切削工具の耐摩耗性が低下する傾向が見られる。そのため、交互積層膜の硬度は28GPa〜40GPaであることが好ましい。
交互積層膜の硬度は、交互積層膜のTiN膜とTiCN膜の平均膜厚により調整できる。具体的には、TiN膜とTiCN膜のそれぞれの膜の平均膜厚を薄くすることで、交互積層膜の硬度を高くすることができる。なお交互積層膜の硬度は、本発明の被覆切削工具において、交互積層膜よりも表面側に被覆された膜(上部膜等)を研磨により除去して得られた交互積層膜の表面に、ダイヤモンド圧子を印加して測定することができる。
超硬合金基材の熱膨張率よりも交互積層膜の熱膨張率が大きいので、本発明の被覆切削工具を製造した時点において、交互積層膜には引張残留応力が生じる。さらに、TiNとTiCNは熱膨張率が異なるので、TiN膜の引張残留応力とTiCN膜の引張残留応力は異なる。
そこで、平均膜厚が厚く残留応力の測定が容易な交互積層膜のTiCN膜の残留応力を測定したところ、TiCN膜の引張残留応力が400MPaを超えると、耐チッピング性が低下する傾向が見られた。このことから、本発明の交互積層膜のTiCN膜の引張残留応力は400MPa以下であることが好ましい。また、TiCN膜の引張残留応力は通常100MPa〜600MPaである。
なお交互積層膜のTiCN膜の引張残留応力は、従来公知のX線回折測定のsinΨ法により測定することができる。またsinΨ法で引張残留応力を算出するために必要なTiCN膜のヤング率はダイナミック硬度計等で測定する。またTiCN膜のポアソン比は0.2とする。なお、交互積層膜よりも本発明の被覆切削工具における基材と反対側の表面に近い側に、交互積層膜に含まれないTiCN膜が形成されていて、交互積層膜中のTiCN膜の引張残留応力が測定できない場合は、その交互積層膜に含まれないTiCN膜を研磨などにより除去するとよい。
なお、TiCN膜の引張残留応力を400MPa以下にするためには、平均膜厚10〜300nmのTiN膜と平均膜厚0.1〜0.5μmのTiCN膜とを交互に積層した交互積層膜の構成にすればよい。
<上部膜>
本発明の被覆切削工具を構成する下部膜の、超硬合金基材と接する面と反対側の表面には、上部膜が形成されている。本発明の上部膜は酸化アルミニウム膜を有するので、被覆切削工具の耐クレーター摩耗性が向上する。
前記上部膜の平均膜厚は、1μm未満であると本発明の被覆切削工具のすくい面における耐クレーター摩耗性が向上せず、一方平均膜厚が10μmを超えると刃先が欠損しやすくなる。このことから、上部膜の平均膜厚を1〜10μmとする。
なお上部膜中の酸化アルミニウム膜の結晶型はα型やκ型やγ型など特に制限されないが、高温で安定なα型であることが好ましい。特に炭素鋼や合金鋼の高速切削など刃先が高温になる場合において、酸化アルミニウム膜がα型酸化アルミニウム膜であると欠損やチッピングが起こりにくい。
このような酸化アルミニウム膜の平均膜厚は、0.5μm未満になると被覆切削工具のすくい面における耐クレーター摩耗性が向上せず、一方平均膜厚が10μmを超えると刃先が欠損しやすくなる。このことから、酸化アルミニウム膜の平均膜厚は0.5〜10μmであることが好ましく、0.5〜8μmであることがより好ましい。
(中間膜)
本発明の被覆切削工具は、上部膜を構成する層として、Tiの炭化物、Tiの炭酸化物、Tiの炭窒酸化物、TiとAlとを含む炭酸化物及びTiとAlとを含む炭窒酸化物からなる群より選ばれる少なくとも1種の金属化合物からなる中間膜を備え、当該中間膜が上記下部膜に接していることが好ましい。
このような構成の中間膜が存在すると、下部膜と上部膜との密着性が向上する。なお、中間膜の平均膜厚は通常0.1〜2μmであり、さらに好ましくは、0.3〜1.0μmである。該中間膜は以上挙げた種々の金属化合物からなる膜の複数の積層膜であってもよい。
前記中間膜として具体的には、TiC、TiCO、TiCNO、TiAlCO又はTiAlCNOからなる膜などを挙げることができる。これらの中でもTiとAlとを含む炭窒酸化物からなる膜がさらに好ましい。TiとAlとを含む炭窒酸化物からなる中間膜として具体的には、TiAlCNOを挙げることができる。
さらに、下部膜の超硬合金基材と接する面と反対側の表面に中間膜を形成し、その中間膜の下部膜と接する面と反対側の表面に酸化アルミニウム膜を形成すると、酸化アルミニウム膜と下部膜との密着性が向上するのでさらに好ましい。
(表面膜)
また、被覆切削工具の使用コーナーの識別を容易にするために、酸化アルミニウム膜の中間膜と接する面と反対側の表面に、Tiの炭窒化物及び窒化物からなる群より選ばれる少なくとも1種からなる表面膜を形成すると、さらに好ましい。
なお、当該表面膜は、Tiの炭窒化物からなる膜及びTiの窒化物からなる膜の複数の積層膜であってもよい。また、この表面膜の形成方法は公知であり、種々の公知の化学蒸着の条件を採用することができる。このような表面膜の平均膜厚は、通常0.1〜5μmである。
〔被膜の製造方法〕
本発明の被覆切削工具における被膜を構成する各膜の製造方法として、例えば、以下の方法を挙げることができる。
下部膜の交互積層膜を構成するTiN膜は、原料ガス組成をTiCl:5.0〜10.0mol%、N:20〜60mol%、H:残りとし、温度:850〜920℃、圧力:100〜350hPaとする化学蒸着法で形成することができる。
また、交互積層膜を構成するTiCN膜は、原料ガス組成をTiCl:10〜15mol%、CHCN:1〜3mol%、N:0〜20mol%、H:残りとし、温度:850〜920℃、圧力:60〜100hPaとする化学蒸着法で形成することができる。
上部膜中のα型酸化アルミニウム膜は、原料ガス組成をAlCl:2.1〜5.0mol%、CO:2.5〜4.0mol%、HCl:2.0〜3.0mol%、HS:0.28〜0.45mol%、H:残りとし、温度:900〜1000℃、圧力:60〜80hPaとする化学蒸着法で形成することができる。
なお、κ型酸化アルミニウム膜は、原料ガス組成をAlCl:2.0〜5.0mol%、CO:4.2〜6.0mol%、CO:3.0〜6.0mol%、HCl:3.5〜5.0mol%、HS:0.3〜0.5mol%、H:残りとし、温度:900〜1020℃、圧力:60〜80hPaとする化学蒸着法で形成することができる。
中間膜として挙げられるTiAlCNO膜、TiC膜、TiCO膜、TiCNO膜及びTiAlCO膜は、以下のようにして形成することができる。
TiAlCNO膜は、原料ガス組成をTiCl:3.0〜5.0mol%、AlCl:1.0〜2.0mol%、CO:0.4〜1.0mol%、N:30〜40mol%、H:残りとし、温度:975〜1025℃、圧力:90〜110hPaとする化学蒸着法で形成することができる。
前記TiC膜は、原料ガス組成をTiCl:1.0〜3.0mol%、CH:4.0〜6.0mol%、H:残りとし、温度:990〜1030℃、圧力:50〜100hPaとする化学蒸着法で形成することができる。
前記TiCO膜は、原料ガス組成をTiCl:1.2〜3.2mol%、CO:3.0〜5.0mol%、H:残りとし、温度:960〜1025℃、圧力:170〜210hPaとする化学蒸着法で形成することができる。
前記TiCNO膜は、原料ガス組成をTiCl:1.0〜3.0mol%、CO:2.0〜4.0mol%、N:4〜6mol%、H:残りとし、温度:960〜1025℃、圧力:60〜100hPaとする化学蒸着法で形成することができる。
前記TiAlCO膜は、原料ガス組成をTiCl:0.5〜1.5mol%、AlCl:3.0〜5.0mol%、CO:2.0〜4.0mol%、H:残りとし、温度:975〜1025℃、圧力:60〜100hPaとする化学蒸着法で形成することができる。
〔被覆切削工具表面の表面粗さ〕
本発明の被覆切削工具を構成する超硬合金基材の表面粗さと被膜の形成条件とを調整して、被覆切削工具の表面、より具体的には当該工具における上部膜の下部膜と接する面と反対側の表面の算術平均粗さRaを調整することができる。これにより、被覆切削工具への被削材の溶着を抑制することができる
被覆切削工具の表面の算術平均粗さRaは通常0.03〜0.5μmであるが、好ましくは0.03〜0.3μmである。
また、前記被覆切削工具の表面に対して砥石による研磨処理あるいはウエットブラストによる研磨処理等の表面処理を施して、被覆切削工具の表面の算術平均粗さRaを0.03〜0.3μmに調整するのも好ましい。なお、本明細書において算術平均粗さRaは、JIS B0601(2001)に準拠して測定したものである。
以下、実施例により本発明についてより詳細に説明する。
[被覆切削工具の製造]
平均粒径4.5μmのWC粉:89重量%と、平均粒径1.5μmのTiCN粉:2重量%と、平均粒径1.5μmの(Ta,Nb)C粉:2重量%と、平均粒径1.5μmのCo粉:7重量%とからなる混合粉末を焼結してWC−(Ti,W,Ta,Nb)(C,N)−Co系超硬合金を得た。
その超硬合金をISO規格CNMG120412形状のインサートに加工して、超硬合金基材を得た。なお、この超硬合金基材の表面近傍には、WCとCoとからなる脱β層が形成されていた。前記超硬合金基材の逃げ面における脱β層の平均厚みは15μmであった。この超硬合金基材上に化学蒸着法(比較品10を除く)で下記表1に示す膜構成の被膜を形成した。
Figure 2012144574
*膜厚は全て平均膜厚である。
*得られた被膜において、交互積層膜中のTiN膜が超硬合金基材と接し、前記交互積層膜中のTiCN膜が中間膜と接し、該中間膜は酸化アルミニウム膜と接し、該酸化アルミニウム膜の中間膜と接する面と反対側の面に、表面膜であるTiCN膜および/またはTiN膜がこの順に積層されている。
表1において交互積層膜における積層数は、TiN膜を1層、TiCN膜を1層と数えたとき、合計で何層形成されているかを表している。
交互積層膜のTiN膜は、原料ガス組成をTiCl:9.0mol%、N:40mol%、H:残りとし、温度:900℃、圧力:160hPaとする条件で形成した。
交互積層膜のTiCN膜は、原料ガス組成をTiCl:10.8mol%、CHCN:1.3mol%、N:13.5mol%、H:残りとし、温度:900℃、圧力:90hPaとする条件で形成した。
これらの被覆条件で所定の積層数になるまでTiN膜とTiCN膜とを交互に積層した。なお、発明品、比較品ともに下部膜は交互積層膜のみからなる。
中間膜のTiAlCNO膜は、原料ガス組成をTiCl:4.0mol%、AlCl:1.2mol%、CO:0.6mol%、N:34mol%、H:残りとし、温度:1000℃、圧力:100hPaとする条件で形成した。
上部膜のα型酸化アルミニウム膜は、原料ガス組成をAlCl:2.3mol%、CO:3.6mol%、HCl:2.0mol%、HS:0.3mol%、H:残りとし、温度:1000℃、圧力:70hPaとする条件で形成した。
上部膜のκ型酸化アルミニウム膜(発明品8)は、原料ガス組成をAlCl:2.5mol%、CO:4.5mol%、CO:4.4mol%、HCl:4.0mol%、HS:0.4mol%、H:残りとし、温度:1000℃、圧力:70hPaとする条件で形成した。
上部膜のTiCN膜は、原料ガス組成をTiCl:7.3mol%、N:11.6mol%、CHCN:1.2mol%、H:残りとし、温度:1000℃、圧力:90hPaとする条件で形成した。
上部膜のTiN膜は、原料ガス組成をTiCl:9.0mol%、N:40mol%、H:残りとし、温度:1000℃、圧力:160hPaとする条件で形成した。
比較品10では、物理蒸着法によりTiAlN膜を形成したが、被覆切削工具の刃先で切削試験を行う前にTiAlN膜が超硬合金基材から剥離したため、切削性能を評価できなかった。また以下に示す試料表面の算術平均粗さRa等の測定も行わなかった。切削試験前にTiAlN膜が自然に剥離したのは、TiAlN膜と基材との密着強度が十分でなく、TiAlN膜の圧縮残留応力が非常に高かったためと考えられる。
[特性測定]
以上の化学蒸着法で得られた被覆切削工具試料表面(上部膜の下部膜と接する面と反対側の表面)の算術平均粗さRaを、Mitutoyo製の表面性状測定機(SURFPAK−SV)を用いて測定した。
更に試料表面の上部膜をダイヤモンドラップ研磨で除去して、表面に現れた交互積層膜の硬度をダイナミック硬度計(MTS社製ナノインデンター)を用いて測定した。
さらに交互積層膜中のTiCN膜の引張残留応力を、RIGAKU製のX線回折装置(RINT−TTRIII)を用いてsinΨ法によって測定した。
これらの測定結果を下記表2に示す。
Figure 2012144574
発明品1〜11及び比較品1〜9の被覆切削工具について、被膜の組成を透過電子顕微鏡付属のエネルギー分散型X線分析装置により測定した。また、透過型電子顕微鏡を用いて被膜の断面から各膜の平均膜厚(5ヶ所の平均値)を測定したところ、いずれも目標膜厚(表1に示した値)と同じ値を示した。さらに、X線回折装置を用いて酸化アルミニウム膜の結晶型を調べたところ、いずれも目的とする結晶型(表1に示したもの)が得られていた。
[切削試験]
切削試験として、1試料当たり2個のサンプルを用意し、直径120mm×長さ400mmの円柱状のS53C(硬さ:H270)を被削材として使用して、下記の切削条件で端面切削を行った。
<切削条件>
切削速度:200m/min、
切込み:2mm、
送り:0.3mm/rev、
切削雰囲気:湿式(水溶性エマルジョン使用)、
1回の切削時間:15min、
試験回数:2回
切削試験終了後に逃げ面摩耗幅を測定し、チッピングの有無を確認した。切削試験は2回行った。下記表3に、試料の逃げ面摩耗幅の平均値とチッピングが生じたサンプル数を示す。
Figure 2012144574
表3に示した結果から、発明品(本発明の被覆切削工具)は比較品に対して耐摩耗性および耐チッピング性に優れることが分かる。比較品は逃げ面摩耗幅の平均値が0.25mm以上であり発明品よりも耐摩耗性が低い。その中でも、チッピングが生じた比較品3及び6〜9は、逃げ面摩耗幅の平均値が0.54mm以上であり、特に耐摩耗性が低いことが分かる。
一方、発明品ではチッピングが見られず、逃げ面摩耗幅の平均値は0.20mm以下であることから、本発明の被覆切削工具は耐チッピング性および耐摩耗性に優れることが分かる。
本発明の被覆切削工具を切削加工に用いると、当該工具を取り付けた切削装置において、チッピングや摩耗による工具刃先位置の後退が抑制される。そのため本発明によれば、被削材の加工寸法の変化と、それを抑制するために従来頻繁に行われていた工具刃先位置の補正作業の回数を低減することができ、加工生産性の向上につながる。

Claims (14)

  1. 超硬合金基材と、該基材の表面に化学蒸着法によって形成された被膜とを備える被覆切削工具であって、
    前記被膜の平均膜厚は3〜20μmであり、該被膜は、前記基材の表面に形成された平均膜厚2〜15μmの下部膜と、該下部膜の前記基材と接する面とは反対側の表面に形成された平均膜厚1〜10μmの上部膜とから構成され、
    前記下部膜は、平均膜厚10〜300nmのTiN膜と平均膜厚0.1〜0.5μmのTiCN膜とを交互に積層した交互積層膜を有し、
    前記上部膜は酸化アルミニウム膜を有する被覆切削工具。
  2. 前記上部膜が、Tiの炭化物、Tiの炭酸化物、Tiの炭窒酸化物、TiとAlとを含む炭酸化物及びTiとAlとを含む炭窒酸化物からなる群より選ばれる少なくとも1種の金属化合物からなる中間膜を備え、
    該中間膜が前記下部膜に接している請求項1に記載の被覆切削工具。
  3. 前記交互積層膜の硬度が28GPa〜40GPaである請求項1または2に記載の被覆切削工具。
  4. 前記交互積層膜中のTiCN膜のX線回折測定のsinΨ法により測定した引張残留応力が400MPa以下である請求項1〜3のいずれか1項に記載の被覆切削工具。
  5. 前記酸化アルミニウム膜がα型酸化アルミニウム膜である請求項1〜4のいずれか1項に記載の被覆切削工具。
  6. 前記被覆切削工具において、前記上部膜の前記下部膜と接する面と反対側の表面の算術平均粗さRaが、0.03〜0.3μmである請求項1〜5のいずれか1項に記載の被覆切削工具。
  7. 前記被膜の平均膜厚が3.5〜18μmである請求項1〜6のいずれか1項に記載の被覆切削工具。
  8. 前記下部膜の平均膜厚が2〜13μmである請求項1〜7のいずれか1項に記載の被覆切削工具。
  9. 前記交互積層膜中のTiN膜の平均膜厚が10〜250nmである請求項1〜8のいずれか1項に記載の被覆切削工具。
  10. 前記交互積層膜中のTiCN膜の平均膜厚が0.15〜0.4μmである請求項1〜9のいずれか1項に記載の被覆切削工具。
  11. 前記交互積層膜の平均膜厚が2〜15μmである請求項1〜10のいずれか1項に記載の被覆切削工具。
  12. 前記交互積層膜におけるTiN膜及びTiCN膜の積層数が4〜120層である請求項1〜11のいずれか1項に記載の被覆切削工具。
  13. 前記中間膜の平均膜厚が0.1〜2μmである請求項2〜12のいずれか1項に記載の被覆切削工具。
  14. 前記中間膜が、TiC、TiCO、TiCNO、TiAlCO又はTiAlCNOからなる膜である請求項2〜13のいずれか1項に記載の被覆切削工具。
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