JPWO2013015302A1 - 切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】耐溶着性、耐摩耗性に優れた切削工具を提供する。【解決手段】 すくい面３と逃げ面４との交差稜線に切刃５を有して、基体２の表面に、ＣｒａＭ１−ａ（Ｃ１−ｘＮｘ）（ただし、ＭはＴｉ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、ＺｒおよびＹから選ばれる少なくとも１種、０．０１≰ａ≰０．５、０≰ｘ≰１）被覆層６を被覆し、被覆層６の表面にはドロップレット７が存在するとともに、すくい面３に存在するドロップレット７の平均組成が逃げ面４に存在するドロップレット７の平均組成に比べてＣｒの含有比率が高い切削工具１である。【選択図】 図１

Description

本発明は基体の表面に被覆層が成膜されている切削工具に関する。

現在、切削工具や耐摩部材、摺動部材といった耐摩耗性や摺動性、耐欠損性を必要とする部材では、超硬合金やサーメット等の焼結合金、ダイヤモンドやｃＢＮ（立方晶窒化硼素）の高硬度焼結体、アルミナや窒化珪素等のセラミックスからなる基体の表面に被覆層を成膜して、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。

また、上記物理蒸着法としてアークイオンプレーティング法やスパッタリング法を用いてＴｉやＡｌを主成分とする窒化物層が盛んに研究されており、工具寿命を延命させるための改良が続けられている。これら表面被覆工具は、切削速度の高速化を初めとする切削環境の変化、被削材の多様化に対応するため、被覆材料元素以外にも様々な工夫が施されてきている。

例えば、特許文献１では、基体の表面にＴｉＡｌＮ等の被膜を被覆した表面被覆工具において、Ｔｉの比率をすくい面よりも逃げ面において高くすることが記載されている。また、特許文献２では、基材の表面に、厚みが１〜５μｍのＴｉＡｌＮ系の硬質被膜を形成し、硬質被膜に存在する膜厚以上の大きさを持った粗大粒子が５面積％以下で、その表面粗さＲａが０．１μｍ以下、または表面粗さＲｚが１μｍ以下とすることが記載されている。さらに、特許文献３では、基材表面に（ＡｌＣｒＶ）Ｎ等の組成からなる被覆膜を形成するとともに、被覆膜の表面に存在するマクロパーティクルを減ずることが開示されている。

特開２００８−２６４９７５号公報 特開２００２−３４６８１２号公報 特開２００５−２７１１５５号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたすくい面よりも逃げ面においてＴｉの比率を高くした構成でも、すくい面における被覆層の耐熱性と耐酸化性が不十分であり、かつ逃げ面においては耐欠損性が不十分であった。また、特許文献２に記載されている粗大粒子を極力減らした構成でも、被覆層の耐欠損性が不十分であるという問題があった。さらに、特許文献３のように、ＴｉＡｌＮに第３の金属としてＣｒを含有させた組成においても、耐摩耗性は向上するものの更なる改善が必要であり、特に、被覆層の内部応力によってチッピングや膜の剥離が発生する場合があり、更なる耐欠損性の向上が望まれていた。

本発明は前記課題を解決するためのものであり、その目的は、局所ごとに最適な切削性能を発揮できる被覆層を備えた切削工具を提供することにある。

本発明の切削工具は、基体の表面に、Ｃｒ_ａＭ_１−ａ（Ｃ_１−ｘＮ_ｘ）（ただし、ＭはＴｉ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、ＺｒおよびＹから選ばれる少なくとも１種、０．０１≦ａ≦０．５、０≦ｘ≦１）からなる被覆層を被覆してなるとともに、すくい面と逃げ面との交差稜線に切刃を有しており、前記被覆層の表面にはドロップレットが存在するとともに、前記すくい面に存在する前記ドロップレットの平均組成が前記逃げ面に存在する前記ドロップレットの平均組成に比べてＣｒの含有比率が高いものである。

本発明の切削工具によれば、基体を被覆する被覆層の表面にドロップレットが存在するが、切削時にすくい面上を切屑が通過してもＣｒの含有量が多いドロップレットの存在によって切屑がすくい面にベタ当たりすることなく、被覆層の表面がさほど高温になることがない。しかも、すくい面のほうが逃げ面に比べてＣｒの含有比率が高いので、すくい面上に存在するドロップレットの潤滑性が高くて、切屑との摩擦抵抗を小さくできるとともに、逃げ面においてはドロップレット中のＣｒ比率が少ないので早期に消滅してしまい、加工時の仕上げ面状態が改善される。

本発明の切削工具の一例を示し、（ａ）概略斜視図、（ｂ）（ａ）のＸ−Ｘ断面図である。

本発明の切削工具についての好適な実施態様例である図１（（ａ）概略斜視図、（ｂ）（ａ）のＸ−Ｘ断面図）を用いて説明する。

図１によれば、切削工具１は、主面にすくい面３を、側面に逃げ面４を、すくい面３と逃げ面４との交差稜線に切刃５を有し、基体２の表面に被覆層６を成膜した構成となっている。

そして、基体２の表面に、Ｃｒ_ａＭ_１−ａ（Ｃ_１−ｘＮ_ｘ）（ただし、ＭはＴｉ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、ＺｒおよびＹから選ばれる少なくとも１種、０．０１≦ａ≦０．５、０≦ｘ≦１）からなる被覆層６を被覆し、図１（ｂ）に示すように、被覆層６の表面にはドロップレット７と呼ばれる被覆層６の組成とは異なる組成の粒状物質が存在する。そして、すくい面３に存在するドロプレット７の平均組成は逃げ面４に存在するドロップレット７の平均組成に比べてＣｒの含有比率が高い構成となっている。ここで、本発明におけるすくい面３および逃げ面４に存在するドロップレットの平均組成は、すくい面３および逃げ面４に対して顕微鏡観察を行い、１視野１０μｍ×１０μｍの任意領域内に存在する直径０．３μｍ以上のドロップレットそれぞれの組成をエネルギー分散分光分析（ＥＤＳ）によって測定し、これらの平均値を指す。

この構成によれば、切削時にすくい面３上を切屑が通過してもドロップレット７の存在によって切屑がすくい面にベタ当たりすることなく、被覆層６の表面がさほど高温になることがない。しかも、すくい面３のほうが逃げ面４に比べてドロップレット７中のＣｒの含有比率が高いので、すくい面３上に存在するドロップレット７の潤滑性が高く、かつ切削液を被覆層６の表面に保液する効果も発揮するとともに、逃げ面４においてはドロップレット７中のＣｒの含有割合が低くて早期に消滅してしまい、加工時の仕上げ面状態が改善される。

また、被覆層６としては、上記組成式において、Ｍとして少なくともＴｉまたはＡｌのいずれか一方を必須として含有するものが好ましい。これによって、被覆層６の硬度および靭性を高くでき、切削工具１の耐摩耗性および耐欠損性が向上する。さらに、被覆層６の望ましい組成は、ＭとしてＴｉを必須として含むものや、ＭとしてＴｉとＡｌを必須として含むとともに、さらに、Ｓｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、ＺｒおよびＹから選ばれる少なくとも１種（Ｍ’）を含有するものがよい。具体的には、Ｃｒ_ａＴｉ_ｂＡｌ_ｃＭ’_ｄ（Ｃ_１−ｘＮ_ｘ）（ただし、Ｍ’はＳｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、ＺｒおよびＹから選ばれる少なくとも１種、０．０１≦ａ≦０．２５、０．３≦ｂ≦０．８、０≦ｃ≦０．６、０≦ｄ≦０．２５、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１、０≦ｘ≦１）からなる。この組成であれば、被覆層６は酸化開始温度が高くなって耐酸化性が高くかつ内在する内部応力を低減することができて耐欠損性が高い。しかも、被覆層６は硬度および基体２との密着性も高いものであるので、被覆層６は難削材の加工や乾式切削、高速切削等のきつい切削条件における耐摩耗性および耐欠損性に優れたものとなる。

すなわち、被覆層６において、ａ（金属Ｃｒ組成比率)が０．０１よりも小さいと被覆層６の耐酸化性および潤滑性が低下する。ａ（金属Ｃｒ組成比率)が０．５よりも大きいと被覆層６の耐摩耗性が低下する。ａの特に望ましい範囲は０．０４≦ｄ≦０．１５である。ｂ（Ｔｉ組成比率）が０．３以上であると、被覆層６の結晶構造が立法晶から六法晶へ変化することなく、硬度が高くて耐摩耗性が高い。ｂ（Ｔｉ組成比率）が０．８以下であると、被覆層６の耐酸化性および耐熱性が高い。ｂの特に望ましい範囲は０．４５≦ａ≦０．５である。また、ｃ（Ａｌ組成比）が０．６以下であると被覆層６の結晶構造が立方晶から六方晶に変化することなく高い硬度が維持される。ｃの特に望ましい範囲は０．４８≦ｂ≦０．５２である。さらに、ｄ（金属Ｍ組成比率)が０．２５以下であると被覆層６の耐酸化性又は硬度が低下することなく高い耐摩耗性が維持される。ｄの特に望ましい範囲は０．０３≦ｄ≦０．２２である。

なお、金属Ｍ’はＳｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｙから選ばれる１種以上であるが、中でもＳｉ又はＷを含有することが硬度に優れる点から望ましく、ＮｂまたはＭｏを含有することが耐摩耗性・耐酸化性に優れる点から望ましい。

また、被覆層６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、ｘ（Ｎ組成比率）の特に望ましい範囲は０．９≦ｘ≦１である。ここで、本発明によれば、上記被覆層６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。

なお、被覆層６のすくい面３の表面に形成されるドロップレット７のＣｒ含有比率Ｃｒ_ＤＲは逃げ面４の表面に形成されるドロップレット７のＣｒ含有比率Ｃｒ_ＤFに対して１．０５≦Ｃｒ_ＤＲ／Ｃｒ_ＤＦ≦１．６０であることが、すくい面３および逃げ面４における耐摩耗性をともに最適化できる点で望ましい。

また、存在するドロップレット７の数は、すくい面３における１０μｍ×１０μｍ四方で０．３μｍ以上のドロップレット７が１５〜５０個、望ましくは１８〜３０個であることが切屑の通過による発熱の緩和の点で望ましい。また、すくい面３におけるドロップレット７の数が逃げ面４に存在するドロップレット７の数よりも多いことが、すくい面３が切屑の通過によって高温になることを緩和するとともに、逃げ面４の表面を滑らかにして仕上げ面品位を向上する点で望ましい。

さらに、すくい面３における被覆層６の平均組成におけるＣｒの比率が逃げ面４における被覆層６の平均組成よりも大きいことが、潤滑性の向上により、クレータ摩耗の抑制、および切屑排出性が向上する点で望ましい。

また、被覆層６がＡｌを含有する場合、すくい面３の表面に形成されるドロップレット７のＡｌ含有比率Ａｌ_ＤＲは逃げ面４の表面に形成されるドロップレット７のＡｌ含有比率Ａｌ_ＤFに対して１．００≦Ａｌ_ＤＲ／Ａｌ_ＤＦ≦１．１０であることが、すくい面３および逃げ面４における耐摩耗性をともに最適化できる点で望ましい。比率Ａｌ_ＤＲ／Ａｌ_ＤＦの特に望ましい範囲は１．００≦Ａｌ_ＤＲ／Ａｌ_ＤＦ≦１．０２である。さらに、被覆層６のすくい面３の表面に形成されるドロップレット７のＴｉ含有比率Ｔｉ_ＤＲは逃げ面４の表面に形成されるドロップレット７のＴｉ含有比率Ｔｉ_ＤFに対して０．９１≦Ｔｉ_ＤＲ／Ｔｉ_ＤＦ≦０．９７であることが、すくい面３および逃げ面４における耐チッピング性をともに最適化できる点で望ましい。比率Ｔｉ_ＤＲ／Ｔｉ_ＤＦの特に望ましい範囲は０．９４≦Ｔｉ_ＤＲ／Ｔｉ_ＤＦ≦０．９７である。

さらに、他の一実施態様では、被覆層６は、第１層６ａと第２層６ｂ等との複数層が繰り返し交互に積層された交互積層からなる。この構成によれば、被覆層６の硬度が向上するとともに、クラックの進展を抑制できて耐欠損性も向上する。なお、この実施態様では、第１層６ａ、第２層６ｂ…等のすべての薄層がＣｒを含有するものに限定されず、第１層６ａ、第２層６ｂ…のいずれか１層以上にＣｒを含有するものであればよい。

表面被覆層６の成膜方法としては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）法が適応可能であり、このようなドロップレット７を被覆層６表面上に形成する方法としてはアークイオンプレーティング法が好適に用いられる。

ここで、すくい面３における被覆層６中のＣｒの含有比率が逃げ面４における被覆層６中のＣｒの含有比率よりも多いことが、切削工具１の耐摩耗性と切屑処理性のバランスを良くする上で望ましい。

なお、基体２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硬質合金、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。

（製造方法）
次に、本発明の切削工具の製造方法について説明する。

まず、工具形状の基体を従来公知の方法を用いて作製する。次に、基体の表面に、被覆層を成膜する。被覆層の成膜方法として、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）、金属クロム（Ｃｒ）、および所定の金属Ｍ（ただし、ＭはＳｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、ＺｒおよびＹから選ばれる少なくとも１種以上）をそれぞれ独立に含有する金属ターゲット、複合化した合金ターゲットまたは焼結体ターゲットを用い、チャンバの側壁面位置にセットする。

このとき、本発明によれば、メインターゲットをチャンバの側面にセットし、かつ他の金属に比べてＣｒの含有比率が多いターゲットをチャンバの上面に、他の金属の含有比率が高いターゲットをチャンバの側面にセットし、各々のターゲットにアーク電流を流して成膜する。その結果、成膜された被覆層の組成およびドロップレットの組成を本発明の構成とすることができる。なお、ターゲットの作製方法としては、金属粉末を混合して焼き固めた焼結ターゲットを用いると、金属成分を溶融させて再度固化させた合金ターゲットを用いるより、被覆層の表面に析出するドロップレットの量が多くなる傾向にある。

成膜条件としては、これらのターゲットを用いて、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）ガスと反応させる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およびドロップレットを成膜する。このとき、基体のセット位置は逃げ面がチャンバの側面とほぼ平行に、かつすくい面がチャンバの上面とほぼ平行な向きにセットする。この時、メインターゲットには１００〜２００Ａ、上面のＣｒ成分を多く含有するサブターゲットには８０〜２００Ａ、所望により、側面に配置するサブターゲットには１２０〜２５０Ａのアーク電流を流す。

そして、発生したアークプラズマに対してターゲットの向きと平行な向きに磁石を配置する等の方法にて、発生したアークプラズマに磁場を与えることによって、プラズマ内に存在する蒸発した各金属成分の存在状態を変化させることにより、ドロップレットの組成を所定の範囲に制御することができる。なお、イオンプレーティング法やスパッタリング法で上記被覆層を成膜する際には、被覆層の結晶構造を考慮して高硬度な被覆層を作製できるとともに基体との密着性を高めるために３５〜２００Ｖのバイアス電圧を印加することが好ましい。

平均粒径０．８μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末を主成分として、平均粒径１．２μｍの金属コバルト（Ｃｏ）粉末を１０質量％、平均粒径１．０μｍの炭化バナジウム（ＶＣ）粉末を０．１質量％、平均粒径１．０μｍの炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）粉末を０．３質量％の割合で添加し混合して、プレス成形によりＤＣＧＴ１１Ｔ３０２ＭＦＣＱ形状のスローアウェイチップ形状に成形した後、脱バインダ処理を施し、０．０１Ｐａの真空中、１４５０℃で１時間焼成して超硬合金を作製した。また、各試料のすくい面表面をブラスト加工、ブラシ加工等によって研磨加工した。さらに、作製した超硬合金にブラシ加工にて刃先処理（ホーニング）を施した。

このようにして作製した基体に対して、表１に示すバイアス電圧を印加し、メインターゲット、側面のサブターゲット、上面のサブターゲットに対して所定のアーク電流をそれぞれ流し、かつアーク電流を発生させたターゲット材に対して、チャンバの上下面にリング状の永久磁石をはめ込んでターゲット方向から磁場を与えながら、成膜温度５４０℃として表２に示すすくい面組成で表４に示す逃げ面組成の被覆層を成膜した。

得られた試料に対して、被覆層の表面のすくい面及び逃げ面の各面の任意３箇所およびすくい面および逃げ面表面上に形成されたドロップレットを観察し、１視野における１０μｍ×１０μｍの任意領域における直径０．３μｍ以上のドロップレットの個数を測定し、測定箇所５箇所における平均個数を算出した。また、直径０．３μｍ以上の各ドロップレットの組成をエネルギー分散分光分析（ＥＤＳ）（アメテック社製ＥＤＡＸ）によって測定し、これらの平均値を被覆層のすくい面、逃げ面および各面表面上のドロップレットの平均組成として算出した。表３中、すくい面に形成されたドロップレットについてＣｒ，Ａｌ，Ｔｉの平均含有量（原子％）をそれぞれＣｒ_ＤＲ、Ａｌ_ＤＲ、Ｔｉ_ＤＲ、逃げ面に形成されたドロップレットについてＣｒ，Ａｌ，Ｔｉの平均含有量（原子％）をそれぞれＣｒ_ＤＦ、Ａｌ_ＤＦ、Ｔｉ_ＤＦと表記した。

次に、得られた外径切削工具ＤＣＧＴ１１Ｔ３０２ＭＦＣＱ形状のスローアウェイチップを用いて以下の切削条件にて切削試験を行った。結果は表４に示した。
切削方法：外径旋削加工
被削材 ：炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）
切削速度：１３０ｍ／分
送り ：０．０５ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１．２ｍｍ
切削状態：湿式
評価方法：５００個加工後のすくい面を観察して溶着状態を確認した。また、工具寿命まで加工できた加工数を確認し、そのときの摩耗形態を確認した。

表１〜４に示す結果より、すくい面に存在するドロップレットの平均組成が逃げ面に存在するドロップレットの平均組成に比べてＣｒの含有比率が低い試料Ｎｏ．１１では、すくい面における被削材の溶着が激しくクレータ摩耗の進行が早くて早期に工具寿命となり、すくい面と逃げ面に存在するドロップレットの平均組成に対するＣｒの含有比率が同じ試料Ｎｏ．１２でも、すくい面における溶着が多く早期に摩耗が進行した。

これに対して、本発明の範囲内である試料Ｎｏ．１〜１０では、いずれも耐摩耗性に優れるとともに平滑な加工面に加工できて良好な切削性能を発揮した。

１ 切削工具
２ 基体
３ すくい面
４ 逃げ面
５ 切刃
６ 被覆層
７ ドロップレット

Claims (5)

1. 基体の表面に、Ｃｒ_ａＭ_１−ａ（Ｃ_１−ｘＮ_ｘ）（ただし、ＭはＴｉ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、ＺｒおよびＹから選ばれる少なくとも１種、０．０１≦ａ≦０．５、０≦ｘ≦１）からなる被覆層を被覆してなるとともに、すくい面と逃げ面との交差稜線に切刃を有しており、前記被覆層の表面にはドロップレットが存在するとともに、前記すくい面に存在する前記ドロップレットの平均組成が前記逃げ面に存在する前記ドロップレットの平均組成に比べてＣｒの含有比率が高い切削工具。
2. 前記被覆層が、Ｃｒ_ａＴｉ_ｂＡｌ_ｃＭ’_ｄ（Ｃ_１−ｘＮ_ｘ）（ただし、Ｍ’はＳｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、ＺｒおよびＹから選ばれる少なくとも１種、０．０１≦ａ≦０．２５、０．３≦ｂ≦０．８、０≦ｃ≦０．６、０≦ｄ≦０．２５、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１、０≦ｘ≦１）からなる請求項１記載の切削工具。
3. 前記すくい面に存在するドロップレットの数が前記逃げ面に存在するドロップレットの数よりも多い請求項１または２記載の切削工具。
4. 前記すくい面における前記被覆層中のＣｒの含有比率が前記逃げ面における前記被覆層中のＣｒの含有比率よりも多い請求項１乃至３のいずれか記載の切削工具。
5. 前記被覆層が、異なる組成の複数の薄層を交互に繰り返し積層した交互積層構造からなる請求項１乃至４のいずれか記載の切削工具。