JP2006247779A - 被覆ｃＢＮ基焼結体切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】
鉄系材料、特に焼き入れ処理された高硬度鋼からなる加工物の切削加工において、加工物の仕上げ面粗さが小さい切削工具を提供することを目的とする。
【解決手段】
ｃＢＮを２０〜１００体積％含有するｃＢＮ基焼結体基材の表面に、Ｔｉを含有する炭化物、窒化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種からなるチタン化合物膜が被覆され、チタン化合物膜の平均膜厚は０．１〜１０μｍであり、チタン化合物膜の平均粒径は０．５μｍ以下である被覆ｃＢＮ基焼結体切削工具は、加工物の仕上げ面粗さが小さい。

Description

本発明は被覆ｃＢＮ基焼結体切削工具に関し、その中でも特に高硬度鋼の切削加工に好適な被覆ｃＢＮ基焼結体切削工具に関する。

被覆ｃＢＮ基焼結体切削工具の従来技術として、高圧相型窒化硼素を体積で２０％以上含む硬質焼結体の表面に１層または２層以上の周期律表第４ａ、５ａ族金属の炭化物、窒化物、酸化物、硼化物又はこれ等の複合化合物、又はＡｌ₂Ｏ₃からなる被覆層を有する被覆硬質焼結体がある（例えば、特許文献１参照。）。

また、ｃＢＮ基焼結体母材に平均結晶粒径１μｍ以下のＡｌ₂Ｏ₃を含有させ、所定の平均結晶粒径のＡｌ₂Ｏ₃層を被覆して、耐摩耗性向上を図ったＡｌ₂Ｏ₃被覆ｃＢＮ基焼結体切削工具がある（例えば、特許文献２参照。）。

特開昭５９−８６７９号公報 特開２０００−４４３７０号公報

近年、機械の長寿命化、省エネの必要性が増加していることから、機械部品には高い仕上げ面品位が要求されるようになってきた。従来の被覆ｃＢＮ基焼結体切削工具では、こうした高い仕上げ面品位の要求には十分応えられなくなってきた。例えば、高圧相型窒化硼素を体積で２０％以上含む硬質焼結体の表面にＡｌ₂Ｏ₃膜を被覆すると、Ａｌ₂Ｏ₃膜の密着性が低いことから被膜の剥離が生じやすい。そのため、切削加工中に被膜の剥離で形成された微小な凹凸は加工物に転写されるため加工物の仕上げ面粗さが低下するという問題があった。また、Ａｌ₂Ｏ₃膜は膜厚の増加とともにＡｌ₂Ｏ₃膜の粒径が大きくなりやすく表面粗さが大きくなるという問題があった。そこで本発明は、加工物の切削加工において、その中でも鉄系材料、その中でも特に焼き入れ処理された高硬度鋼からなる加工物の切削加工において、加工物の仕上げ面粗さが小さい切削工具を提供することを目的とする。

本発明者は、被覆ｃＢＮ基焼結体切削工具の開発に取り組んできたところ、チタン化合物膜の結晶粒を微細にすると、チタン化合物膜の表面が平滑になり、切削加工時に境界部分の損傷が抑えられるとともに刃先が正常に摩耗し、加工物の仕上げ面粗さを小さくできるという知見を得て本発明を完成するに至った。

本発明の被覆ｃＢＮ基焼結体切削工具は、ｃＢＮを２０〜１００体積％含有するｃＢＮ基焼結体基材の表面に、Ｔｉを含有する炭化物、窒化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種からなるチタン化合物膜が被覆され、チタン化合物膜の平均膜厚は０．１〜１０μｍであり、チタン化合物膜の平均粒径は０．５μｍ以下である。

本発明のｃＢＮ基焼結体基材は、ｃＢＮを２０〜１００体積％含有し、残部としてＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｏ、Ｍｎの金属、炭化物、窒化物、酸化物、硼化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれる少なくとも１種の結合相を含有するｃＢＮ基焼結体基材である。ただし、本発明のｃＢＮ基焼結体基材に含有されるｃＢＮ量が１００体積％であるとき、本発明のｃＢＮ基焼結体基材は結合相を含まない。ｃＢＮ基焼結体基材に含まれるｃＢＮ量は２０体積％未満になると、硬さが低下するため、高硬度鋼などの切削加工において摩耗が著しく増加する。そこで本発明のｃＢＮ基焼結体基材に含まれるｃＢＮ量を２０〜１００体積％と定めた。なお本発明においてｃＢＮは立方晶窒化硼素を示す。

本発明のｃＢＮ基焼結体基材に、チタン化合物膜を構成する元素と同じ元素を含有させると、チタン化合物膜とｃＢＮ基焼結体基材との密着性がさらに増加するため好ましい。例えば、ＴｉＡｌＮ膜を被覆する場合、ｃＢＮ基焼結体基材にＴｉ、Ａｌ、Ｎを含有させると好ましい。このようにｃＢＮ基焼結体基材にチタン化合物膜を構成する元素と同じ元素を含有させると、チタン化合物膜の核発生が増加して密着性が向上すると考えられる。

本発明のチタン化合物膜は、Ｔｉを含有する炭化物、窒化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種からなる。これは、Ｔｉを含有する炭化物、窒化物およびこれらの相互固溶体はｃＢＮ基焼結体基材との密着性が高く耐摩耗性に優れているためである。その中でも、Ｔｉの炭化物、窒化物およびこれらの相互固溶体、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉの中の１種以上とＴｉとの複合炭化物、複合窒化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種であると好ましく、具体的には、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＣｒＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＴｉＣｒＳｉＮ、ＴｉＡｌＣｒＳｉＮなどを挙げることができる。その中でもＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮの中から選ばれた少なくとも１種であるとさらに好ましく、その中でもＴｉＮであるとさらに好ましい。

本発明のチタン化合物膜は、チタン化合物膜の平均粒径を０．５μｍ以下にすることにより、チタン化合物膜そのものの表面が平滑になりやすく、ｃＢＮ基焼結体基材の凹凸を埋める効果があり切削工具の表面を平滑にする。加えて切削加工時には損傷単位が小さくなるため、境界部分の損傷が抑えられて刃先が正常に摩耗し、長時間に亘って加工物の仕上げ面粗さを小さくすることができる。その中でもチタン化合物膜の平均粒径を０．１μｍ以下とすると、より好ましい。なおチタン化合物膜の平均粒径を０．０１μｍ未満にすることは難しいので、実用的には、チタン化合物膜の平均粒径は０．０１〜０．５μｍの範囲が好ましく、その中でも０．０１〜０．１μｍがよりいっそう好ましい。チタン化合物膜の平均粒径は基材と平行な方向におけるチタン化合物膜の平均粒径を示す。チタン化合物膜の平均粒径は、チタン化合物膜の断面をＳＥＭ観察またはＴＥＭ観察してチタン化合物膜の垂直方向のほぼ中央で写真を撮り、ｃＢＮ基焼結体基材のすくい面に平行な直線に交差する結晶粒の数から求めることができる。このときチタン化合物膜の平均粒径を正確に求めるためには、直線の長さをチタン化合物膜の平均粒径の１０倍以上にすることが好ましい。

チタン化合物膜の平均粒径はｃＢＮ基焼結体基材に含まれるｃＢＮの平均粒径以下であると、チタン化合物膜とｃＢＮ基焼結体基材との密着性が向上し、基材表面に存在する凹凸を埋める効果が高いため、好ましい。

本発明のチタン化合物膜の平均膜厚は、０．１μｍ未満になると耐摩耗性が低下し、１０μｍを超えるとチタン化合物膜の剥離や微少欠損を起こしやすくなり仕上げ面粗さが大きくなるため、平均膜厚を０．１〜１０μｍとした。その中でも１〜５μｍがより好ましい。

本発明の被覆ｃＢＮ基焼結体切削工具の用途の一つとしては、鉄系材料の切削加工を挙げることができる。その中でも特に焼き入れ処理された高硬度鋼の切削加工に用いると効果が高く好ましい。

本発明のチタン化合物膜は、ＣＶＤ法および／またはＰＶＤ法を用いて被覆することができる。その中でもＣＶＤ法よりも微細な結晶粒が得られるＰＶＤ法が好ましい。被覆の方法と条件を適切に選択する事により、チタン化合物膜の平均粒径は０．５μｍ以下にすることができる。

例えば、ＴｉＣｌ₄−Ｈ₂−Ｎ₂系など原料ガスにＴｉＣｌ₄とＨ₂を使用する熱ＣＶＤ法においては、原料ガス中のＴｉＣｌ₄量とＨ₂量を増やすことで核発生密度を増加させるとともに、被覆温度を下げることによってチタン化合物膜成長速度を低下させ、チタン化合物膜の平均粒径を小さくすることができる。またＴｉ系蒸発源とＮ₂ガスを使用するＰＶＤ法においては、ｃＢＮ基焼結体基材の温度を下げるとともにＮ₂流量を減らすことで、チタン化合物膜の平均粒径を小さくすることができる。このときチタン化合物膜成長速度は著しく低下するが、バイアス電圧を高めるとチタン化合物膜成長速度を増加させることができる。

本発明の被覆ｃＢＮ基焼結体切削工具の表面に最外層としてＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉの炭化物、窒化物、酸化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種からなる硬質膜を被覆すると耐摩耗性が向上するため、さらに好ましい。その中でも酸化アルミニウム膜からなる硬質層は耐酸化性を向上させるため、さらに好ましい。酸化アルミニウム膜の具体的な組成としてＡｌ₂Ｏ₃を挙げることができる。

硬質膜の平均膜厚が０．１μｍ未満では硬質膜を被覆する効果が十分に得られず、硬質膜の平均膜厚が２μｍを超えると耐欠損性が低下する傾向を示すため、硬質膜の平均膜厚は０．１〜２μｍであるとさらに好ましい。本発明の硬質膜はＣＶＤ法および／またはＰＶＤ法を用いて被覆することができる。

本発明の被覆ｃＢＮ基焼結体切削工具を用いて切削加工すると、長時間に亘って加工物の仕上げ面粗さを小さく加工することができる。

平均粒径０．５μｍのｃＢＮ：６０体積％と、ＴｉＮとＡｌからなる結合相：残部とからなるｃＢＮ基焼結体基材を、厚み５ｍｍの超硬合金台金と共に焼結した。焼結後、ｃＢＮ基焼結体基材と超硬合金が強固に結合している事を確認した。これを加工し、ＪＩＳ規格ＴＮＧＡ１６０４０８の工具形状を有するｃＢＮ基焼結体切削工具を得た。ｃＢＮ基焼結体切削工具のすくい面と逃げ面がなす刃先稜線部にダイヤモンド砥石を用いてチャンファー幅Ｔ＝０．１５ｍｍ、チャンファー角θ＝−２５゜のチャンファーホーニングを施した。さらに逃げ面とチャンファー面が交差する部分に断面曲率半径Ｒ２＝０．０２ｍｍの丸ホーニングを施した。

発明品１は上記ホーニングを施したｃＢＮ基焼結体切削工具の表面にＣＶＤ法で表１に示す条件により平均膜厚４．０μｍのＴｉＮ膜を被覆した。比較品１は上記ホーニングを施したｃＢＮ基焼結体切削工具を被覆せず、未被覆品とした。比較品２として上記ホーニングを施したｃＢＮ基焼結体切削工具の表面にＣＶＤ法で表１に示す条件により平均膜厚４．０μｍのＴｉＮ膜を被覆した。発明品２は上記ホーニングを施したｃＢＮ基焼結体切削工具の表面にＰＶＤ法で表２に示す条件により平均膜厚４．０μｍのＴｉＮ膜を被覆した。発明品３は上記ホーニングを施したｃＢＮ基焼結体切削工具の表面にＰＶＤ法で表２に示す条件により平均膜厚４．０μｍのＴｉＮ膜を被覆した。

発明品１、比較品２におけるＴｉＮ膜の平均粒径は、ＴｉＮ膜の断面をＳＥＭ観察してＴｉＮ膜の垂直方向のほぼ中央で写真を撮り、ｃＢＮ基焼結体基材のすくい面に平行な長さ１０μｍの直線に交差する結晶粒の数から求めた。発明品２、３におけるＴｉＮ膜の平均粒径は、ＴｉＮ膜の断面をＴＥＭ観察してＴｉＮ膜の垂直方向のほぼ中央で写真を撮り、ｃＢＮ基焼結体基材のすくい面に平行な長さ１．０μｍの直線に交差する結晶粒の数から求めた。これらの測定結果は、それぞれ表１、表２に併記した。

発明品１〜３、比較品１、２について切削試験１を行った。加工物の仕上げ面粗さの評価としては最大高さ粗さＲｚを用いた。Ｒｚの測定方法はＪＩＳ規格Ｂ０６０１：２００１に従った。

［切削試験１］
切削形態：外径１００ｍｍの外周連続旋削
加工物：円筒形状の焼き入れ処理した高硬度鋼（ＳＣＭ４１５Ｈ）
加工物の硬さ：ＨＲＣ５８〜６１
切削速度：１５０（ｍ／ｍｉｎ）
切り込み：０．1５（ｍｍ）
送り：０．０８（ｍｍ／ｒｅｖ）
切削液：使用せず
工具寿命判定基準：加工物の仕上げ面の最大高さ粗さＲｚが１．６μｍ以上になった切削時間を工具寿命とする。

比較品１、２、発明品１〜３の切削時間と加工物の最大高さ粗さＲｚ（μｍ）の関係を表３および図１に示す。

比較品１は、刃先の摩滅とともに加工物の仕上げ面粗さＲｚが増加した。比較品２はＴｉＮ膜の平均粒径がｃＢＮ基焼結体基材のｃＢＮ粒径よりも大きい。比較品２は境界損傷が発達したため、急激に加工物の仕上げ面粗さが増加した。比較品２はＴｉＮ膜を被覆しているが、境界損傷が発達したためＴｉＮ膜を被覆していない比較品１よりも加工物の仕上げ面粗さが大きくなり工具寿命が短い。

発明品１〜３は、耐摩耗性と境界損傷のバランスが良いため、比較品１、２より仕上げ面粗さを小さく維持することができた。特に発明品２、３は、ＴｉＮ膜の平均粒径が０．１μｍ以下であるため、切削初期から仕上げ面粗さが小さく、比較品１の２．５〜３倍の工具寿命を示した。その中でもＴｉＮ膜の平均粒径が最も小さい発明品３が、切削加工中においても加工物の仕上げ面粗さが小さく維持され、最も長寿命であった。

平均粒径０．５μｍのｃＢＮ：６０体積％と、ＴｉＮとＡｌからなる結合相：残部とからなるｃＢＮ基焼結体基材を、厚み５ｍｍの超硬合金台金と共に焼結した。焼結後、ｃＢＮ基焼結体基材と超硬合金が強固に結合していることを確認した。これを加工し、ＪＩＳ規格ＴＮＧＮ１６０４０８の工具形状を有するｃＢＮ基焼結体切削工具を得た。ｃＢＮ基焼結体切削工具のすくい面と逃げ面がなす刃先稜線部にダイヤモンド砥石を用いてチャンファー幅Ｔ＝０．１５ｍｍ、チャンファー角θ＝−２５゜のチャンファーホーニングを施した。さらに、逃げ面とチャンファー面が交差する部分に断面曲率半径Ｒ２＝０．０２ｍｍの丸ホーニングを施した。

発明品４は上記ホーニングを施したｃＢＮ基焼結体切削工具の表面にＣＶＤ法で表４に示す条件により基材表面に平均膜厚４．０μｍのＴｉＮ膜を被覆した。発明品５は上記ホーニングを施したｃＢＮ基焼結体切削工具の表面にＣＶＤ法で表５に示す条件により基材表面に平均膜厚２．０μｍのＴｉＮ膜を被覆し、更にその表面に平均膜厚２．０μｍのＡｌ₂Ｏ₃膜を被覆した。比較品３は上記ホーニングを施したｃＢＮ基焼結体切削工具を被覆せず未被覆品とした。比較品４は上記ホーニングを施したｃＢＮ基焼結体切削工具の表面にＣＶＤ法で表４に示す条件により平均膜厚４．０μｍのＴｉＮ膜を被覆した。比較品５は上記ホーニングを施したｃＢＮ基焼結体切削工具の表面にＣＶＤ法で表６に示す条件により平均膜厚４．０μｍのＡｌ₂Ｏ₃膜を被覆した。

発明品４、５、比較品４、５におけるＴｉＮ膜、Ａｌ₂Ｏ₃膜の平均粒径は、ＴｉＮ膜、Ａｌ₂Ｏ₃膜の断面をＳＥＭ観察してＴｉＮ膜、Ａｌ₂Ｏ₃膜の垂直方向のほぼ中央で写真を撮り、ｃＢＮ基焼結体基材のすくい面に平行な長さ１２μｍの直線に交差する結晶粒の数から求めた。これらの測定結果は、それぞれ表４、５、６に併記した。

発明品４、５、比較品３〜５について切削試験１よりも切削速度が高い切削試験２を行った。この切削試験では刃先が高温になるため切削工具には高い耐酸化性が求められる。加工物の仕上げ面粗さの評価としては最大高さ粗さＲｚを用いた。Ｒｚの測定方法はＪＩＳ規格Ｂ０６０１：２００１に従った。

［切削試験２］
切削形態：外径１００ｍｍの外周連続旋削
加工物：円筒形状の焼き入れ処理した高硬度鋼（ＳＣＭ４１５Ｈ）
加工物の硬さ：ＨＲＣ５８〜６１
切削速度：２２０（ｍ／ｍｉｎ）
切り込み：０．1５（ｍｍ）
送り：０．０８（ｍｍ／ｒｅｖ）
切削液：使用せず
工具寿命判定基準：加工物の仕上げ面の最大高さ粗さＲｚが１．６μｍ以上になった切削時間、もしくは欠損した切削時間を工具寿命とする。

比較品３〜５、発明品４、５の切削時間と加工物の仕上げ面の最大高さ粗さＲｚ（μｍ）の関係を表７および図２に示す。

切削試験２は切削試験１よりも高速切削のため、摩耗の進行速度は切削試験１のときよりも全体的に増加していた。比較品３は刃先の摩滅とともに加工物の仕上げ面粗さが増加した。比較品４はＴｉＮ膜を被覆しており逃げ面摩耗は比較品３よりも小さかったが、境界損傷が発達したため加工物の仕上げ面粗さは大きく、比較品３と同程度の寿命であった。比較品５はＡｌ₂Ｏ₃膜を被覆しているが、切削初期から仕上げ面粗さが大きく、更に６分の段階で一段と仕上げ面粗さが大きくなった。６分切削後の刃先を観察したところ被膜の微少剥離が切削時の境界部分に見られた。このため加工物の仕上げ面粗さが急激に増加したと考えられる。

発明品４、５は耐摩耗性と境界損傷のバランスが良く、比較品３〜５より仕上げ面粗さを小さく維持することができた。発明品４はＴｉＮ膜の平均粒径が０．２μｍと比較的小さく切削初期から仕上げ面粗さを良好に維持できた。発明品４は結果的に１０．３分の時点で欠損し寿命となった。損傷を観察したところクレーター摩耗が進行しており、刃先の部分まで窪みが達していた。このことから発明品４はクレーター摩耗により刃先が尖った状態になり、刃先の強度が低下して欠損に至ったものと考えられる。

ＴｉＮ膜、Ａｌ₂Ｏ₃膜の多層膜を被覆した発明品５は、切削初期段階の仕上げ面粗さは比較品１と同程度であったが、時間経過による仕上げ面粗さの増加が小さく、結果として最も長寿命で、比較品３の２．８倍の時間切削可能であった。ＴｉＮ膜は、ｃＢＮ基焼結体との密着性が高いため剥離が生じにくい。Ａｌ₂Ｏ₃膜は、Ａｌ₂Ｏ₃粒子の粗粒化を抑えるため薄くしているが、耐酸化性を発揮するのに十分な膜厚を有している。このため発明品５は高速切削においても加工物の仕上げ面粗さを小さく保ったまま工具寿命を延長することが可能になる。

切削試験１における発明品１〜３と比較品１，２の切削時間と加工物仕上げ面の最大高さ粗さＲｚの関係を示す。 切削試験２における発明品４、５と比較品３〜５の切削時間と加工物仕上げ面の最大高さ粗さＲｚの関係を示す。

Claims (6)

1. ｃＢＮを２０〜１００体積％含有するｃＢＮ基焼結体基材の表面に、Ｔｉを含有する炭化物、窒化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種からなるチタン化合物膜が被覆され、チタン化合物膜の平均膜厚は０．１〜１０μｍであり、チタン化合物膜の平均粒径は０．５μｍ以下である被覆ｃＢＮ基焼結体切削工具。
2. チタン化合物膜の平均粒径は０．１μｍ以下である請求項１に記載の被覆ｃＢＮ基焼結体切削工具。
3. チタン化合物膜は、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮの中から選ばれた少なくとも１種からなるチタン化合物膜である請求項１または２に記載の被覆ｃＢＮ基焼結体切削工具。
4. ｃＢＮ基焼結体基材は、チタン化合物膜を構成する元素を含有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の被覆ｃＢＮ基焼結体切削工具。
5. チタン化合物膜の平均粒径は、ｃＢＮ基焼結体基材に含まれるｃＢＮの平均粒径以下である請求項１〜４のいずれか１項に記載の被覆ｃＢＮ基焼結体切削工具。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の被覆ｃＢＮ基焼結体切削工具の表面にＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉの炭化物、窒化物、酸化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種からなる硬質膜を被覆した被覆ｃＢＮ基焼結体切削工具。

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