JP2005138211A

JP2005138211A - 表面被覆切削工具

Info

Publication number: JP2005138211A
Application number: JP2003376240A
Authority: JP
Inventors: Shinya Imamura; 晋也今村; Hideki Moriguchi; 秀樹森口; Keiichi Tsuda; 圭一津田; Haruyo Fukui; 治世福井; Naoya Omori; 直也大森; Makoto Setoyama; 誠瀬戸山
Original assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Current assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Priority date: 2003-11-05
Filing date: 2003-11-05
Publication date: 2005-06-02

Abstract

【課題】耐熱性に優れると共に、耐摩耗性に優れる表面被覆切削工具を提供する。
【解決手段】基材上にコーティング層を具える表面被覆切削工具であり、コーティング層は、基材上に形成されると共に、周期律表4a、5a、6a族金属、及びAl、Siからなる群から選択される1種以上の元素と、炭素、窒素、酸素からなる群から選択される1種以上の元素との化合物から構成されるA層と、前記A層の外側に形成されると共に、酸化アルミニウムから構成されるB層とを具える。そして、B層の硬度は、A層よりも低硬度とする。かつ、前記A層及びB層は、物理蒸着法により被覆する。
【選択図】図１

Description

本発明は、優れた耐摩耗性を有する表面被覆切削工具に関するものである。特に、高速切削、ドライ切削、高硬度材切削などのより過酷な条件における切削においても、優れた切削性能を発揮することが可能な表面被覆切削工具に関するものである。

従来、耐摩耗性及び表面保護機能の改善のために、切削工具や耐摩耗工具などの基材表面に、TiAl系の窒化物、炭窒化物からなる硬質の被覆層を単層又は複数層形成することがよく知られている。

また、最近では、酸化アルミニウムなどの酸化物からなる膜を基材表面に被覆させることで、高速切削やドライ加工などに対応可能な工具が開発されている。例えば、特許文献1には、アルミニウムを含む酸化物からなる膜と、Tiの炭化物、窒化物、炭窒化物からなる膜とを基材上に積層することで、耐摩耗性を向上させることが開示されている。

特開2000-246506号公報

しかし、酸化アルミニウムなどの酸化物は、耐熱性に優れるもののそれ単体では、十分な耐摩耗性が発揮されない。また、特許文献1に記載されるようにTiの炭化物、窒化物、炭窒化物からなる膜との複合膜とする場合、これらTi系化合物層と酸化物層とは、密着強度が低く、切削初期に被覆層が剥離してしまい、十分な効果が得られにくいという問題がある。

そこで、本発明の主目的は、耐熱性に優れると共に、高速切削、ドライ切削、高硬度材切削などにおいても優れた耐摩耗性を有する表面被覆切削工具を提供することにある。

本発明は、コーティング層の組成を特定し、物理的蒸着法にて形成すると共に、コーティング層を構成するA層とB層との硬度の関係を規定することで、上記目的を達成する。

即ち、本発明は、基材上にコーティング層を具える表面被覆切削工具であり、前記コーティング層は、基材上に形成されると共に、周期律表4a、5a、6a族金属、及びAl、Siからなる群から選択される1種以上の元素と、炭素、窒素、酸素からなる群から選択される1種以上の元素との化合物から構成されるA層と、前記A層の外側に形成されると共に、酸化アルミニウムから構成されるB層とを具える。そして、B層の硬度は、A層よりも低硬度とする。かつ、前記A層及びB層は、物理蒸着法により被覆する。

本発明者らは、高速切削、ドライ切削、高硬度材切削などの切削時に高温を発する高発熱切削において耐摩耗性に優れた切削工具を得るべく、検討を重ねた結果、上記特定組成からなるA層及びB層とすること、A層及びB層の硬度が特定の関係にあること、そして、A層及びB層を物理蒸着法(以下、PVD法と呼ぶ)により被覆することが効果的であるとの知見を得た。具体的には、本発明は、工具表面の被覆膜を酸化アルミニウムといった酸化物から構成することで、切削時に高温になっても、工具表面からの酸素の拡散を抑制することができるため、基材及び酸化物膜の下層の被覆膜(A層)の酸化を抑制でき、工具寿命を向上することが可能である。また、本発明は、高硬度のA層の上に低硬度のB層を具えることで、低硬度のB層が切削開始初期に正常摩耗することでコーティング層全体の異常チッピングが抑えられ、工具寿命の安定化、長寿命化を図ることができる。特に、本発明は、B層を低硬度とすることで、A層との密着性を向上させることができるため、工具寿命を大幅に向上させる。そして、上記優れた切削特性を有するコーティング層の形成には、PVD法が最適であり、本発明では、PVD法により被覆することを規定する。

以下、本発明を詳しく説明する。
(コーティング層)
＜A層＞
基材に具えるコーティング層のうち、A層は、周期律表4a、5a、6a族金属、及びAl、Siからなる群から選択される1種以上の元素と、炭素、窒素、酸素からなる群から選択される1種以上の元素との化合物から構成する。特に、Tiを含む化合物は、耐摩耗性に優れて好ましい。このようなTi化合物として、例えば、TiAlSiN、TiSiN、TiCN、TiAlN、TiAlCN、TiSiCrN、TiZrN、TiNなどが挙げられる。また、A層のうち、基材との界面に被覆される層(最内層)は、TiN又はCrNから構成されることが好ましい。このような最内層を具えることで、基材とコーティング層との密着性を高めることができる。上記最内層の膜厚を0.5μm超としても、密着性の更なる向上が見られないため、最内層の膜厚は、0.5μm以下でよい。A層は、上記化合物からなる単層としてもよいし、複数層としてもよい。即ち、上記最内層のみとしてもよいし、最内層とその他の化合物からなる層とを組み合わせた二層以上としてもよい。二層以上とする場合、B層を構成する層のうちで最も厚い層が後述する硬度の規定を満たすようにする。A層の膜厚は、0.5μm以上5.0μm以下が好ましい。特に、2.0μm以上5.0μm以下が好ましい。最内層を具える場合は、上記範囲を満たすことが好ましい。

＜B層＞
B層は、耐熱性に優れる酸化アルミニウムから構成されるものとする。組織としては、結晶質であっても、非晶質であってもよい。また、B層の膜厚が3.0μmを越えるとA層との界面で剥離が生じ易くなるため好ましくない。そこで、B層の膜厚は、3.0μm以下が好ましい。このとき、良好な耐摩耗性を示す。特に、十分な耐熱性及び耐摩耗性の効果を得るには、0.3μm以上、特に、0.3〜2.5μmが好ましい。本発明では、このB層を表面層とする。

＜硬度＞
上記B層の硬度は、A層よりも低硬度とする。特に、B層の硬度をA層の硬度の50％以上90％以下とすると、より優れた耐摩耗性を示して好ましい。特に好ましくは、50％以上80％以下である。また、具体的な硬度は、A層で20〜40GPa、B層で10〜25GPa程度が好ましい。この範囲内のとき、A層とB層との密着性が最も優れて好ましい。上記硬度は、ナノインデンテーション法によるものが好ましい。本発明においてコーティング層は、ミクロンオーダーの薄膜とするため、ビッカースやヌープによる硬度測定では、コーティング層に圧子を押し込むと、基材の硬度値の影響が避けられない深さ(コーティング層の半分以上)まで達してしまうので、正確に硬度を測定することが難しい。

＜成膜方法＞
耐摩耗性に優れるコーティング層を基材上に被覆するには、高強度の化合物膜、特に、酸化物膜を形成することができる成膜プロセスで作製されることが不可欠である。そこで、種々の成膜方法を検討した結果、PVD法を用いることが好適である。そこで、本発明では、A層及びB層の双方をPVD法により形成することを規定する。PVD法には、スパッタリング法、イオンプレーティング法などがあるが、特に原料元素のイオン率が高いアンバランスドマグネトロンスパッタ法(神戸製鋼所技報 Vol.50 No.2(Sep.2000)参照、以下、UBMスパッタ法と呼ぶ)、デュアルマグネトロンスパッタ法やカソードアークイオンプレーティングが適していることがわかった。なお、PVD法による形成膜は、例えば、膜表面のモフォロジーを調べたり、X線回折により判別することが可能である。

被覆層の硬度を変化させるには、例えば、成膜温度、バイアス電圧、炉内圧力などのパラメータを変化させることが挙げられる。B層の硬度をA層よりも低硬度とするには、例えば、A層の成膜時と比較して、成膜温度を高くしたり、バイアス電圧を低くしたり、炉内圧力を高くしてB層を形成することが挙げられる。B層の硬度をA層の硬度の50％以上90％以下とするには、上記のパラメータを制御することにより可能である。また、A層の硬度を20〜40GPa程度にするには、例えば、成膜温度を300〜500℃、バイアス電圧を30〜150V、炉内圧力を1.0〜3.0Paにすることが挙げられる。B層の硬度を10〜25GPa程度にするには、例えば、バイアス電圧をA層形成時よりも低めにしたり、成膜温度をA層形成時よりも高めにしたり、炉内圧力をA層形成時よりも高くすることが挙げられる。

＜合計膜厚＞
コーティング層は、合計膜厚が1.0μm以上8.0μm以下であれば良好な耐摩耗性を示す。合計膜厚が1.0μm未満であると、コーティング層の耐摩耗性効果が発揮されにくく、8.0μmを越えると、コーティング層が欠損したり剥離し易くなるため好ましくない。中間層、最表面層を具える場合も、上記合計膜厚の範囲を満たすことが好ましい。

(基材)
基材は、WC基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶型窒化硼素焼結体、及びダイヤモンド焼結体のいずれかから構成されるものであることが望ましい。公知の組成のものを利用してもよい。

上記構成を具える本発明表面被覆切削工具は、耐熱性に優れると共に、耐摩耗性を向上させることができるという優れた効果を奏する。そのため、本発明切削工具は、特に高速切削、ドライ切削、高硬度材切削などといった刃先温度が非常に高温となる切削条件においても、優れた耐摩耗性を示し、長時間加工することができる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

ISO規格：型番SDKN42形状、P30超硬合金(Co：11質量％)からなるフライス切削用刃先交換チップ基材に表1に示すコーティング層を被覆した刃先交換チップを作製した。

本例においてコーティング層の形成は、UBMスパッタ法にて行った。具体的には、以下の通りである。図1は、成膜装置の概略構成を示す模式図である。図1に示す成膜装置10内に複数のアーク蒸発源11、12及びアンバランスドマグネトロンスパッタ蒸発源(以下、UBMスパッタ源と呼ぶ)13を配置し、蒸発源11〜13間の中心点Cを中心としてこれらの蒸発源11〜13間で回転可能な保持具14に基材20である上記切削チップを装着する。本例では、アーク蒸発源11、12に所定の金属原料(例えば、TiやSiなど)をセットし、UBMパッタ源にAl(アルミニウム)をセットした。

そして、成膜装置10内を真空度1×10^-3Pa以下に真空引きした後、基材20を500℃まで加熱して1時間保持する。その後、ガス導入口15よりArガスを導入して成膜装置10内を3Paに保った状態で基材20に−1000Vの電圧をかけて、Arガス中でグロー放電を発生させ、Arイオンにより基材20表面をクリーニングする。次に、基材20に所定のバイアス電圧をかけた後、アーク蒸発源11、12を真空アーク放電させて、ガス導入口15よりN₂(窒素ガス)、又はN₂及びCH₄(メタンガス)を成膜装置10内に導入してA層を形成する。次に、ガス導入口15よりAr(アルゴンガス)及びO₂(酸素ガス)を成膜装置10内に導入してUBMスパッタ源13を放電させてB層(酸化アルミニウム層)を形成する。

コーティング層を構成する各層は、放電時間、バイアス電圧、成膜温度などを調整することで、膜厚、硬度を異ならせた。試料1-1〜1-10では、A層のナノインデンテーション法による硬度が20〜40GPa程度となるように、成膜温度を300〜500℃、バイアス電圧を30〜150V、炉内圧力を1.0〜3.0PaにしてA層を形成した。また、試料1-1〜1-10では、B層の同硬度が10〜25GPa程度となると共に、B層の同硬度がA層の同硬度よりも低硬度となるように、バイアス電圧をA層形成時よりも低めにした。なお、A層に対するB層の硬度比は、B層形成時において、バイアス電圧を制御すると共に、炉内圧力を3.0〜5.0Paと高めにしたり、成膜温度を800℃以上としてB層の硬度を変えることで変化させた。代表的な成膜条件として試料1-3及び試料1-5の成膜条件を表2に示す。

上記のように基材上にコーティング層を形成した刃先交換チップを一般的に用いられるカッターボディに取り付け、これら工具の切削評価を行った。評価は、長さ300mm、幅100mmのSKD61(H_RC53)からなる被削材を切削速度300m/min、切込み量1.5mm、送り速度0.2mm/刃、無潤滑条件で切削加工を行い、切削長1.5m時点での逃げ面摩耗幅を測定することで行った。逃げ面摩耗幅の測定結果を表3に示す。

表3から、特定組成のA層、及び酸化アルミニウムからなるB層とを具え、B層の硬度がA層の硬度よりも低硬度であるコーティング層を具える試料1-1〜1-10は、高硬度材の高速フライス加工において、優れた耐摩耗性を発揮することが確認された。特に、ドライ切削といったより過酷な条件であっても、優れた特性を有することがわかる。また、表3からB層を構成する酸化アルミニウムの膜厚は、3.0μm以下が好ましいことがわかる。更に、コーティング層全体の膜厚は、1〜8μmが好ましいことがわかる。

上記試料1-1と同様の組成で、成膜条件を変化させることで、A層に対するB層の硬度比が40％となるコーティング層を被覆したチップを作製して、上記と同様の切削条件で切削評価を行ったところ、同硬度比が50％である試料1-1の方が逃げ面摩耗幅が小さかった。従って、A層に対するB層の硬度比は、50％以上が好ましいことがわかる。

ISO規格：型番SDKN42形状、P30超硬合金(Co：11質量％)からなるフライス切削用刃先交換チップ基材に表1に示すコーティング層を被覆した刃先交換チップを作製した。コーティング層の形成方法は、実施例1と同じである。

これら基材上にコーティング層を形成した刃先交換チップを一般的に用いられるカッターボディに取り付け、これら工具の切削評価を行った。評価は、長さ300mm、幅100mmのSCM435からなる被削材を切削速度300m/min、切込み量2.0mm、送り速度0.2mm/刃、無潤滑条件で切削加工を行い、切削長3.0m時点での逃げ面摩耗幅を測定することで行った。逃げ面摩耗幅の測定結果を表4に示す。

表4から、上記実施例1と同様に特定組成のA層、及び酸化アルミニウムからなるB層とを具え、B層の硬度がA層の硬度よりも低硬度であるコーティング層を具える試料2-1〜2-10は、合金鋼材の高速フライス加工において、優れた耐摩耗性を発揮することが確認された。特に、ドライ切削といったより過酷な条件であっても、優れた特性を有することがわかる。

ISO規格：型番CNMG120408形状、P20サーメットからなる旋削加工用刃先交換チップ基材に表1に示すコーティング層を被覆した刃先交換チップを作製した。コーティング層の形成方法は、実施例1と同じである。

これら基材上にコーティング層を形成した刃先交換チップを一般的に用いられるホルダに取り付け、これら工具の切削評価を行った。評価は、直径φ300mm、長さ700mmのSCM435からなる被削材を切削速度300m/min、切込み量1.0mm、送り速度0.2mm/rev、無潤滑条件で切削加工を行い、切削時間10分時点での逃げ面摩耗幅を測定することで行った。逃げ面摩耗幅の測定結果を表5に示す。

表5から、上記実施例1、2と同様に特定組成のA層、及び酸化アルミニウムからなるB層とを具え、B層の硬度がA層の硬度よりも低硬度であるコーティング層を具える試料3-1〜3-10は、合金鋼材の高速旋削加工において、優れた耐摩耗性を発揮することが確認された。特に、ドライ切削といったより過酷な条件であっても、優れた特性を有することがわかる。

本発明は、特に、高速切削、ドライ切削、高硬度材切削といった刃先温度が高温となるような切削条件での切削加工に適する。

成膜装置の概略構成を示す模式図である。

符号の説明

10 成膜装置 11,12 アーク蒸発源 13 UBMスパッタ源 14 保持具
20 基材

Claims

基材上にコーティング層を具える表面被覆切削工具であって、
前記コーティング層は、
基材上に形成されると共に、周期律表4a、5a、6a族金属、及びAl、Siからなる群から選択される1種以上の元素と、炭素、窒素、酸素からなる群から選択される1種以上の元素との化合物から構成されるA層と、
前記A層の外側に形成されると共に、酸化アルミニウムから構成されるB層とを具え、
前記B層の硬度は、A層よりも低硬度であり、
前記A層及びB層は、物理蒸着法により被覆されたことを特徴とする表面被覆切削工具。
B層の硬度は、A層の硬度の50％以上90％以下であることを特徴とする請求項1に記載の表面被覆切削工具。
コーティング層の全体膜厚は、1.0μm以上8.0μm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の表面被覆切削工具。
B層の膜厚は、3.0μm以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
A層のうち、基材との界面に被覆される最内層は、TiN又はCrNから構成され、この最内層の膜厚が0.5μm以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
基材は、WC基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶型窒化硼素焼結体、及びダイヤモンド焼結体のいずれかから構成されることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の表面被覆切削工具。