JPWO2019181742A1 - 表面被覆切削工具 - Google Patents
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Abstract
Description
基材と、上記基材を被覆する被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
上記被膜は、WC1−x(ただし、xは、0.54以上0.58以下である)で示される化合物からなるWC1−x層を含み、
上記WC1−xで示される化合物は、六方晶型の結晶構造を含む。
特許文献1に記載の被膜が被覆された切削工具では、副生成物として当該被膜中に金属タングステンが残留するため、高速高能率加工では耐摩耗性、耐欠損性等が不充分であり、改善の余地が残されている。
上記によれば、優れた耐欠損性を有する表面被覆切削工具を提供することが可能になる。
[1]本開示に係る表面被覆切削工具は、
基材と、上記基材を被覆する被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
上記被膜は、WC1−x(ただし、xは、0.54以上0.58以下である)で示される化合物からなるWC1−x層を含み、
上記WC1−xで示される化合物は、六方晶型の結晶構造を含む。
上記硬質被膜層は、上記WC1−x層とは組成が異なる第一単位層を少なくとも含み、
上記第一単位層は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、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、又は上記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及びホウ素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からなる。このように規定することで耐欠損性が更に優れ且つ耐摩耗性に優れる表面被覆切削工具となる。
上記第二単位層は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、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、又は上記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及びホウ素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からなり、
上記第一単位層及び上記第二単位層は、それぞれが交互に1層以上積層された多層構造を形成している。このように規定することで耐欠損性が更に優れ且つ耐摩耗性に優れる表面被覆切削工具となる。
以下、本開示の一実施形態(以下「本実施形態」と記す。)について説明する。ただし、本実施形態はこれに限定されるものではない。本明細書において「A〜B」という形式の表記は、範囲の上限下限(すなわちA以上B以下)を意味し、Aにおいて単位の記載がなく、Bにおいてのみ単位が記載されている場合、Aの単位とBの単位とは同じである。さらに、本明細書において、たとえば「TiN」等のように、構成元素の比が限定されていない化学式によって化合物が表された場合には、その化学式は従来公知のあらゆる組成比(元素比)を含むものとする。このとき化学式は、化学量論組成のみならず、非化学量論組成も含むものとする。たとえば「TiN」の化学式には、化学量論組成「Ti1N1」のみならず、たとえば「Ti1N0.8」のような非化学量論組成も含まれる。このことは、「TiN」以外の化合物の記載についても同様である。
本開示に係る表面被覆切削工具は、
基材と、上記基材を被覆する被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
上記被膜は、WC1−x(ただし、xは、0.54以上0.58以下である)で示される化合物からなるWC1−x層を含み、
上記WC1−xで示される化合物は、六方晶型の結晶構造を含む。
本実施形態の基材は、この種の基材として従来公知のものであればいずれのものも使用することができる。例えば、上記基材は、超硬合金(例えば、炭化タングステン(WC)基超硬合金、WCの他にCoを含む超硬合金、WCの他にCr、Ti、Ta、Nb等の炭窒化物を添加した超硬合金等)、サーメット(TiC、TiN、TiCN等を主成分とするもの)、高速度鋼、セラミックス(炭化チタン、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム等)、立方晶型窒化硼素焼結体(cBN焼結体)及びダイヤモンド焼結体からなる群より選ばれる少なくとも1種を含むことが好ましく、超硬合金、サーメット及びcBN焼結体からなる群より選ばれる少なくとも1種を含むことがより好ましい。
本実施形態に係る「被膜」は、上記基材の少なくとも一部(例えば、切削加工時に被削材と接する部分)を被覆することで、切削工具における耐欠損性、耐摩耗性等の諸特性を向上させる作用を有するものである。上記被膜は、上記基材の全面を被覆してもよい。なお、上記基材の一部が上記被膜で被覆されていなかったり被膜の構成が部分的に異なっていたりしていたとしても本実施形態の範囲を逸脱するものではない。
上記被膜は、WC1−xで示される化合物からなるWC1−x層を含む。「WC1−xで示される化合物」(以下、「WC1−x」と表記する場合がある。)とは、タングステン元素(W)の元素比を1とした場合、炭素元素(C)の元素比が1−xである炭化タングステンを意味する。上記WC1−x層は、本実施形態に係る表面被覆切削工具が奏する効果を損なわない範囲において、不可避不純物が含まれていてもよい。上記不可避不純物の含有割合は、WC1−x層の全質量に対して0質量%以上0.2質量%以下であることが好ましい。後述する「硬質被膜層」及び「他の層」の表記についても同様に、本実施形態に係る表面被覆切削工具が奏する効果を損なわない範囲において、不可避不純物が含まれていてもよい。
上記被膜は、上記WC1−x層の上に形成されている硬質被膜層を更に含むことが好ましい。上記硬質被膜層は、上記WC1−x層とは組成が異なる第一単位層を少なくとも含むことが好ましい。
ここで「上記WC1−x層の上に形成されている」とは、上記WC1−x層の上側(基材から離れる側)に硬質被膜層が設けられていればよく、互いに接触していることを要しない。言い換えると、上記WC1−x層と、硬質被膜層との間に他の層が設けられていてもよい。また、図3に示すように上記硬質被膜層13は、上記WC1−x層12の直上に設けられていてもよい。上記硬質被膜層は、最外層(表面層)であってもよい。
上記第一単位層は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、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、又は上記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及びホウ素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からなることが好ましい。上記第一単位層は、Cr、Al、Ti及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素又は、上記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及びホウ素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からなることがより好ましい。周期表4族元素としては、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)等が挙げられる。周期表5族元素としては、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)等が挙げられる。周期表6族元素としては、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)等が挙げられる。
上記硬質被膜層は、上記WC1−x層及び上記第一単位層とは組成が異なる第二単位層を更に含むことが好ましい。上記第二単位層は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、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、又は上記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及びホウ素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からなることが好ましく、Cr、Al、Ti及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素又は、上記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及びホウ素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からなることがより好ましい。周期表4族元素、5族元素及び6族元素それぞれの具体例としては、上述した各元素が挙げられる。
本実施形態の効果を損なわない範囲において、上記被膜は、他の層を更に含んでいてもよい。上記他の層は、上記WC1−x層及び上記硬質被膜層とは組成が異なっていてもよいし、同じであってもよい。他の層としては、例えば、TiN層、TiWCN層等を挙げることができる。なお、その積層の順も特に限定されない。例えば、上記他の層としては、上記基材と上記WC1−x層との間に設けられている下地層、上記WC1−x層と上記硬質被膜層との間に設けられている中間層、上記硬質被膜層の上に設けられている表面層等が挙げられる。下地層等の上記他の層の厚さは、本実施形態の効果を損なわない範囲において、特に制限はないが例えば、0.1μm以上2μm以下が挙げられる。
本実施形態に係る表面被覆切削工具の製造方法は、基材準備工程と、WC1−x層被覆工程とを含む。以下、各工程について説明する。
基材準備工程では、上記基材を準備する。上記基材としては、上述したようにこの種の基材として従来公知のものであればいずれの基材も使用することができる。例えば、上記基材が超硬合金からなる場合、まず所定の配合組成(質量%)からなる原料粉末を市販のアトライターを用いて均一に混合する。続いてこの混合粉末を所定の形状(例えば、SEET13T3AGSN、CNMG120408NUX等)に加圧成形する。その後、所定の焼結炉において1300〜1500℃以下で、上述の加圧成形した混合粉末を1〜2時間焼結することにより、超硬合金からなる上記基材を得ることができる。また、基材は、市販品をそのまま用いてもよい。市販品としては、例えば、住友電工ハードメタル株式会社製のEH520(商品名)が挙げられる。
WC1−x層被覆工程では、上記基材の表面の少なくとも一部をWC1−x層で被覆する。ここで、「基材の表面の少なくとも一部」には、切削加工時に被削材と接する部分が含まれる。
本実施形態に係る表面被覆切削工具の製造方法は、上記WC1−x層被覆工程の後に硬質被膜層被覆工程を更に含むことが好ましい。硬質被膜層の形成方法は、特に制限なく、従来の方法を用いることが可能である。具体的には、例えば、上述したPVD法によって硬質被膜層を形成することが挙げられる。
本実施形態に係る製造方法では、上述した工程の他にも、基材と上記WC1−x層との間に下地層を形成する下地層被覆工程、上記WC1−x層と上記硬質被膜層との間に中間層を形成する中間層被覆工程、上記硬質被膜層の上に表面層を形成する表面層被覆工程及び表面処理する工程等を適宜行ってもよい。上述の下地層、中間層及び表面層等の他の層を形成する場合、従来の方法によって他の層を形成してもよい。具体的には、例えば、上述したPVD法によって上記他の層を形成することが挙げられる。表面処理をする工程としては、例えば、弾性材にダイヤモンド粉末を担持させたメディアを用いた表面処理等が挙げられる。上記表面処理を行う装置としては、例えば、株式会社不二製作所製のシリウスZ等が挙げられる。
<基材準備工程>
まず、基材準備工程として、JIS規格K10超硬(形状:JIS規格SEET13T3AGSN)を基材として準備した。次に、上記基材をアークイオンプレーティング装置(株式会社神戸製鋼所製、商品名:AIP)の所定の位置にセットした。
WC1−x層被覆工程として、アークイオンプレーティング法により上記基材の上にWC1−x層を形成した。具体的には以下の方法で行った。まずWCターゲット(組成がWCであってC量が3〜6.1質量%である焼結ターゲット又は溶成ターゲット)をアークイオンプレーティング装置のアーク式蒸発源にセットした。次に、基材温度を400〜550℃及び該装置内のガス圧を1.0〜3.5Paに設定した。上記ガスとしては、アルゴンガスを導入した。そして、基材(負)バイアス電圧を10〜700V且つDC又はパルスDC(周波数10〜300kHz)に維持したまま、カソード電極に80〜150Aのアーク電流を供給した。アーク電流の供給でアーク式蒸発源から金属イオン等を発生させることによりWC1−x層を形成した。ここで、WC1−x層の形成初期(膜厚が0.2μm以下の範囲)では、基材温度を400〜450℃とし、且つ低周波数10〜35kHzのバイアスと高周波数200〜300kHzのバイアスとを0.5〜2分間隔で交互に印加した。
基材とWC1−x層との間に下地層を設けた試料(実施例19、比較例1)については、WC1−x層被覆工程を行う前に以下の手順にて、基材の上に下地層を形成した。まず表1に記載の下地層の組成の欄における金属組成を含むターゲット(焼結ターゲット又は溶成ターゲット)をアークイオンプレーティング装置のアーク式蒸発源にセットした。次に、基材温度を400〜650℃及び該装置内のガス圧を0.8〜5Paに設定した。反応ガスとしては、窒化物の下地層の場合は窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガスを導入した。炭窒化物の下地層の場合は、反応ガスとしては窒素ガスとメタンガスとアルゴンガスとの混合ガスを導入した。その後、カソード電極に80〜150Aのアーク電流を供給した。アーク電流の供給でアーク式蒸発源から金属イオン等を発生させることによって、表1に記載の厚さまで下地層を形成した。
また、WC1−x層の上に硬質被膜層を設けた試料(実施例10〜16及び18)については、WC1−x層被覆工程を行った後に以下の手順にて、WC1−x層の上に硬質被膜層を形成し、本実施形態に係る表面被覆切削工具を作製した。まず表1に記載の硬質被膜層の組成の欄における金属組成を含むターゲット(焼結ターゲット又は溶成ターゲット)をアークイオンプレーティング装置のアーク式蒸発源にセットした。次に、基材温度を500〜650℃及び該装置内のガス圧を0.8〜5.0Paに設定した。反応ガスとしては、窒化物の硬質被膜層の場合は窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガスを導入した。炭窒化物の硬質被膜層の場合は、反応ガスとしては窒素ガスとメタンガスとアルゴンガスとの混合ガスを導入した。酸化物の硬質被膜層の場合は、反応ガスとしては酸素ガスとアルゴンガスとの混合ガスを導入した。その後、カソード電極に80〜150Aのアーク電流を供給した。アーク電流の供給でアーク式蒸発源から金属イオン等を発生させることによって、表1に記載の厚さまで硬質被膜層を形成した。なお、多層構造の硬質被膜層を形成する場合は、表1において左側に記載されているものから順に第一単位層、第二単位層として目的の厚さになるまで繰り返して積層した。
上述のようにして作製した試料(実施例1〜19及び比較例1〜3)の切削工具を用いて、以下のように、切削工具の各特性を評価した。
EDX法の測定条件
加速電圧 :200kV
プローブ電流 :0.29nA
プローブサイズ :0.2nm
XRD法の測定条件
走査軸 :2θ−θ
X線源 :Cu−Kα線(1.541862Å)
検出器 :0次元検出器(シンチレーションカウンタ)
管電圧 :45kV
管電流 :40mA
入射光学系 :ミラーの利用
受光光学系 :アナライザ結晶(PW3098/27)の利用
ステップ :0.03°
積算時間 :2秒
スキャン範囲(2θ) :10°〜120°
XPS法の測定条件
使用X線源 :mono−AlKα線 (hν=1486.6eV)
検出深さ :1nm〜10nm
X線ビーム径 :約100μmφ
中和銃 :デュアルタイプ使用
Ar+ :加速電圧 4kV
ラスターサイズ:1×1mm
スパッタ速度(Ar+):SiO2スパッタ換算値 28.3nm/min
ナノインデンターの測定条件
圧子 : バーコビッチ
荷重 : 1gf
負荷時間: 10000msec
保持時間: 2000msec
除荷時間: 10000msec
<耐欠損性試験>
上述のようにして作製した試料(実施例1〜19、比較例1〜3)の切削工具を用いて、以下の切削条件により切削工具が欠損するまでの切削時間を測定し、当該切削工具の耐欠損性を評価した。その結果を表2に示す。切削時間が長いほど耐欠損性に優れる切削工具として評価することができる。
被削材(材質):Ti−6Al−4V
速度 :V40m/min
送り :0.1mm/刃
切り込み :ad4mm、ae10mm
Claims (10)
- 基材と、前記基材を被覆する被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
前記被膜は、WC1−x(ただし、xは、0.54以上0.58以下である)で示される化合物からなるWC1−x層を含み、
前記WC1−xで示される化合物は、六方晶型の結晶構造を含む、表面被覆切削工具。 - 前記WC1−x層は、前記基材に接している、請求項1に記載の表面被覆切削工具。
- 前記WC1−x層は、遊離炭素を含まない、請求項1又は請求項2に記載の表面被覆切削工具。
- 前記WC1−x層は、その膜硬度が3700mgf/μm2以上4500mgf/μm2以下である、請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。
- 前記被膜は、前記WC1−x層の上に形成されている硬質被膜層を更に含み、
前記硬質被膜層は、前記WC1−x層とは組成が異なる第一単位層を少なくとも含み、
前記第一単位層は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、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、又は前記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及びホウ素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からなる、請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。 - 前記第一単位層は、その厚さが0.1μm以上10μm以下である、請求項5に記載の表面被覆切削工具。
- 前記硬質被膜層は、前記WC1−x層及び前記第一単位層とは組成が異なる第二単位層を更に含み、
前記第二単位層は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、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、又は前記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及びホウ素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からなり、
前記第一単位層及び前記第二単位層は、それぞれが交互に1層以上積層された多層構造を形成している、請求項5に記載の表面被覆切削工具。 - 前記第一単位層は、その厚さが1nm以上100nm以下であり、前記第二単位層は、その厚さが1nm以上100nm以下である、請求項7に記載の表面被覆切削工具。
- 前記被膜は、その厚さが0.1μm以上10μm以下である、請求項1〜請求項8のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。
- 前記基材は、超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、cBN焼結体及びダイヤモンド焼結体からなる群より選ばれる少なくとも1種を含む、請求項1〜請求項9のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。
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