JP2010284788A - 硬質皮膜被覆工具 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】
硬質皮膜被覆工具において、硬質皮膜は基体表面から第1硬質皮膜、第2硬質皮膜が被覆され、第1硬質皮膜は、(AlaMe100−a)eNfで示され、第2硬質皮膜は、(Ti100−hBh)mNpで示され、該第1硬質皮膜、該第2硬質皮膜の結晶構造は面心立方構造であり、該第1硬質皮膜と該第2硬質皮膜のX線回折において、最も強度の高い面における面間隔(nm)を夫々d1、d2としたときに、1.00≦d2/d1≦1.03であり、該第2硬質皮膜は柱状組織を有し、該柱状組織の結晶粒はB成分に組成差を有する組成変調構造であることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
【選択図】なし
Description
該第2硬質皮膜の組成は、(Ti100−hBh)mNp(但し、hは原子%であり、m及びpは夫々原子比を表し、0<h≦30、及び0.90≦m/p≦1.15であり、Tiはチタニウムであり、Bは硼素であり、Nは窒素である。)で表され、
該第1硬質皮膜、及び該第2硬質皮膜の結晶構造は夫々面心立方構造であり、
(111)面のピーク強度をIr、(200)面のピーク強度をIs、及び(220)面のピーク強度をItとしたときに、該第1硬質皮膜のX線回折において1.5≦Is/Ir≦15.0、及び0.6≦It/Ir≦1.5であり、該第2硬質皮膜のX線回折において0.2≦Is/Ir≦1.0、及び0.6≦It/Is≦1.5であり、
該第1硬質皮膜と該第2硬質皮膜のX線回折において、最も強度の高い面における面間隔(nm)を夫々d1、d2としたときに、1.00≦d2/d1≦1.03であり、
該第2硬質皮膜は柱状組織を有し、該柱状組織の結晶粒はB成分に組成差を有する組成変調構造を有することを特徴とする。
本発明によれば、厚膜化した硬質皮膜における圧縮応力の低減により密着性を高め、かつ硬質皮膜表面の高硬度化による耐摩耗性に優れた硬質皮膜被覆工具を提供することができる。
また、該第2硬質皮膜における金属成分のチタニウム(Ti)について、その一部を珪素(Si)で置換し、該金属成分全体を100原子%とし、原子%でシリコンの含有量をkとしたとき、0<k≦20、及びチタニウムの含有量は(100−h−k)であることが好ましい。圧縮応力を有する該硬質皮膜は10μm〜30μmの総膜厚であることが好ましい。
第1硬質皮膜の組成は、(AlaMe100−a)eNfで示される。
前記組成式において、カッコ内はAlとMe元素との比率を原子%により表示し、カッコ外は(AlMe)とNとの比率を原子比により表示している。アルミニウム(Al)含有量を表すa値が35≦a≦65原子%の範囲のとき、耐熱性、耐摩耗性が優れる。a値が65原子%を超えて大きいと、第1皮膜断面組織が微細化して圧縮応力が増大し、基体との密着性が劣化する不都合が生じる。a値が35原子%未満であると、耐摩耗性が劣ると言う不都合が生じる。
元素をMeとして集合的に呼称するMe成分は、イオン半径が0.041〜0.1nmの4a、5a、6a族の元素や、イオン半径が0.002〜0.04nmの珪素(Si)、硼素(B)等を含有した窒化物として被覆することが好ましい。この理由は、Me成分、珪素や硼素のイオン半径と、アルミニウム元素のイオン半径との間に差が生じ、結晶構造に応力が作用して、皮膜の高硬度化に好都合だからである。Me成分として、例えばチタニウム(Ti)を選択することにより、第1硬質皮膜の高硬度化に有効である。また、例えばMeが珪素(Si)、硼素(B)では、固溶体を維持する含有量の範囲が1原子%から20原子%であり、優れた耐熱性や潤滑特性を得られる。また、MeとしてW、NbまたはCrを含有することにより、第1硬質皮膜の耐熱性、高硬度化の改善に有効である。
第2硬質皮膜の組成は、(Ti100−hBh)mNpで示される。
前記組成式において、カッコ内はTiとBとの比率を原子%により表示し、カッコ外は(TiB)とNとの比率を原子比により表示している。第2硬質皮膜が、Ti及びBを含有する面心立方構造の窒化物であることにより、優れた耐溶着性と耐クレータ摩耗性を実現できる。第2硬質皮膜におけるB含有量を示すh値(原子%)は0<h≦30でり、1≦h≦30とするのが好ましい。h値のこの範囲は第2硬質皮膜を柱状組織とするために重要である。またB元素を含有させると、工具のすくい面の耐摩耗特性が向上する。切削初期において、Bは工具刃先がまだ低温である状態から酸化され、B含有酸化物を形成する。このB含有酸化物が、被加工物成分の第2硬質皮膜内部への拡散を抑制させる効果を発揮する。しかし、h値が30原子%を超えると、第2硬質皮膜の組織が微細化する。また、窒化硼素(BN)の結晶が出現し硬度が低下し、第2硬質皮膜の圧縮応力が増大して密着性が低下する欠点が現れる。h値は、1原子%程度でも効果が現れる。
以下に、本発明が採用する硬質皮膜の特定の組成や組織を得るための製造条件について説明する。
第1硬質皮膜である(AlaMe100−a)eNfにおいて、0.85≦e/f≦1.25の範囲とするためには、成膜時の反応圧力を制御することが重要である。窒化物を得るために、窒素の反応圧力を2Pa〜8Paとする。より好ましくは2.5Pa〜5Paの範囲にするとよい。反応圧力が2Pa未満では、基体に入射するイオンの運動エネルギーが抑制できず、それが結晶格子歪となって現れ、圧縮応力が抑制できなくなり、e/f値は0.90未満となる。8Paを超えた条件で成膜を行うと、プラズマ密度が低下し、入射するイオンの運動エネルギーが著しく低下し、e/f値は1.15を超える。
圧縮応力は、第1硬質皮膜の膜厚にも影響を受ける。即ち、厚膜ほど、圧縮応力が増大する傾向にある。本発明が採用する面心立方構造の第1硬質皮膜は、(200)面に強く配向させ、厚膜にした。しかし、第1硬質皮膜を厚膜化すると圧縮応力は著しく増大し、(200)面に強く配向させても基体との高い密着性が得られない。そこで、バイアス電圧をパルス化させて印加させることにより、成膜時にプラズマ中でイオン化された第1硬質皮膜を構成する元素の基体に到達する際の運動エネルギーを調整することが必要となる。バイアス電圧をパルス化させた場合特に重要なのは、パルス周波数の制御である。バイアス電圧をパルス化させて印加させると、(111)面、(200)面や(220)面のピーク強度を変化させることが可能となり、特に(200)面への結晶成長を促進させることによって、圧縮応力を抑制し密着性を高めることができ、更に優れた欠損性や耐摩耗性を得ることが可能となる。
第1硬質皮膜は、複数のイオン半径の異なる元素で構成される硬質皮膜のため、面心立方構造の中で歪が発生する。これが圧縮応力増大の原因の一つとなる。面心立方構造の原子最充填面である(111)面に強く配向させると、この(111)面で圧縮応力増大によるすべりが発生し、その結果、硬質皮膜の組織が微細化する。微細組織は、結晶粒界増大化をもたらし、その結晶粒界に外部からの酸素進入よって酸化が促進される。また、切削などにおいて外部から衝撃が加わると、粒界破壊が発生しやすくなる。その粒界破壊は、基材と硬質皮膜界面でも発生する確率が高くなり、その結果、密着性を低下させる。(200)面に強く配向させると、結晶粒界数を低減できること、ならびに、粗大な柱状組織が得られることにより、切削などにおいて、外部から衝撃を受けた場合、特にせん断方向の耐久性に優れるため、硬質皮膜の強度が高まり、欠損性や密着性が高まると考えられる。
本発明例1の成膜条件を標準として、硬質皮膜の膜厚、組成、X線回折ピーク強度、ならびに圧縮応力を変化させた本発明例2〜48と比較例49〜65のものも作製した。蒸発源は、本発明例1〜48と比較例49〜55に応じて、各種合金製ターゲットを選択して用い、窒化物、炭窒化物、酸窒化物、及び酸炭窒化物とするために窒素、酸素、及びメタンなどの炭化水素系のガスを単独、もしくは、混合させて成膜時に導入させて作製した。
切削方法:長手方向連続切削
被削材形状:直径160mm、長さ600mmの丸棒材
被削材:S53C、HB260、調質材
軸方向切込み量:2.0mm
切削速度:300m/分
1回転あたりの送り量:0.4mm/回転
切削油:なし
本発明例1の総膜厚は10μm、圧縮応力値は1.4GPaであり、工具寿命は18mという満足のいく結果を得た。切削距離5m時の刃先の損傷状態を確認した結果、逃げ面摩耗量は0.068mmとなり、薄い膜厚の本発明例4、5よりも耐摩耗性に優れ、更に比較例40に比して格段に優れていた。切削途中の刃先の損傷状態を確認した所、切刃近傍における硬質皮膜の脱落、剥離、チッピング等は観察されず、正常摩耗を呈していた。パルス化されたバイアス電圧を印加して成膜を行った本発明例は、工具寿命が長く優れた結果であった。
比較例39は、切削前に刃先エッジ部で微細な皮膜破壊が観察された。切削途中の刃先エッジ部の損傷状態を確認したところ、皮膜破壊が9μmの幅に拡大しており、この破壊部分から欠損に至った。総膜厚が40μmという厚膜化により圧縮応力が増大したためである。
比較例50の総膜厚は4μmであり、1.3GPaと低い圧縮応力を有していた。しかし、アブレッシブ摩耗が劣ったため工具寿命は短かった。
工具寿命の最も優れた本発明例10は、タングステン(W)を10%含有し、本発明例1に比して、約1.3倍優れた。切削距離5m時の刃先状態を確認した所、刃先エッジ部においてチッピングは確認されず、逃げ面摩耗が0.029mmであった。切削部位における被加工物の溶着もほとんど発生しておらず、正常摩耗の進行のみで寿命に至った。逃げ面摩耗が優れた理由は、Wを含有させることによって、高硬度化したことであると考えられる。本発明例1における第1硬質皮膜の硬度が28GPa、本発明例10が32GPaであった。更に、耐酸化性が高まったため、逃げ面摩耗進行が抑制されたと考えられる。特に、耐酸化性が高まると、最も切削熱が高くなる工具境界部における損傷が低減される傾向にあった。また、溶着が発生しなかった理由は、最外皮膜の第2硬質皮膜に硼素(B)を含有し、潤滑特性が優れたためである。
本発明例12はニオブ(Nb)を10%含有し、本発明例13、14はクロム(Cr)、シリコン(Si)を含有したため、第1硬質皮膜の機械的特性が高まり、本発明例1に比して優れた。
本発明例15に示すように、第1硬質皮膜にBを含有させても工具寿命は優れた。第2硬質皮膜が摩耗した後に露出する第1硬質皮膜の部分でも溶着が抑制された。第1硬質皮膜中にBを含有させても、溶着やクレータ摩耗に対し、格段な効果が得られた。
本発明例8〜20は、第1硬質皮膜がAlと4a、5a、6a族元素、Si、Bから選択された元素の窒化物であるため、耐熱性、硬度が格段に高められた。
比較例41についてX線回折を行った結果、面心立方構造のピークの他に六方晶構造のピークが出現した。調査の結果、AlN化合物に起因するピークであることが確認された。これにより、耐摩耗性が著しく劣化したものと考えられる。比較例42も同様の現象が確認された。
一方、第2硬質皮膜のB含有量が40%の比較例53、Si含有量が30%の比較例54について、第2硬質皮膜の断面組織を観察して、何れも微細化組織であることを確認した。B、Si含有量が多くなると、切削初期から硬質皮膜の剥離とクレータ摩耗が発生した。皮膜組織の差が切削性能の優劣をもたらした。特に、Siの含有量が30%の比較例44は、切削途中段階から、第2硬質皮膜の表面に溶着物が多く観察された。
本発明例25、26の工具寿命は、酸素元素、炭素元素を含有しない本発明例1に比して1.2倍程度優れた。また、切削距離5m時の刃先の損傷状態は、本発明例1に比して溶着、逃げ面摩耗が少ない傾向にあった。更に、すくい面のクレータ摩耗の発生も低減されていた。クレータ摩耗は、切削温度上昇に伴う化学反応によって発生することより、酸素、炭素を含有させることによって潤滑特性が高まり摩擦係数が低減される。その結果、すくい面を切屑が擦過する際の切削温度が抑制され、摩耗が低減したと考えられる。
本発明例47、48は、パルス周波数が夫々30kHz、2kHzの場合であるが、d2/d1値は1.01〜1.02を示し、硬質皮膜全体の圧縮応力が低くなり、第1硬質皮膜と第2硬質皮膜の密着性に優れ、満足のいく工具寿命が得られた。
一方、パルス周波数を1kHzで成膜を行った比較例64は、d2/d1値が1.07となり、第1硬質皮膜と第2硬質皮膜の面間隔のズレにより密着性が劣化した。比較例65は、切削初期に基体と硬質皮膜間の剥離よりも第1硬質皮膜と第2硬質皮膜の界面で剥離が多く観察された。これが短い工具寿命の原因であった。この理由は、40kHzで成膜を行ったためd2/d1値が0.99となり、硬質皮膜全体の圧縮応力が6.9GPaと増大して基体との密着性の他に、第1硬質皮膜と第2硬質皮膜の面間隔のミスフィットにより密着性が劣化したためである。
また、パルス周波数の変化によって第1硬質皮膜のIt/Ir値も変化することが確認された。パルス周波数と圧縮応力の関係には相関性があると考えられ、パルス周波数が大きくなると、圧縮応力は大きくなる傾向にあった。パルス周波数が大きくなると、直流バイアス電圧が印加される状態に近づくためと考えられる。
Claims (4)
- 超硬合金を基体に圧縮応力を有する硬質皮膜を5〜30μmの膜厚で被覆した硬質皮膜被覆工具において、該硬質皮膜は該基体表面から第1硬質皮膜及び第2硬質皮膜が被覆され、最外皮膜は該第2硬質皮膜が被覆され、
該第1硬質皮膜の組成は、(AlaMe100−a)eNf(但し、aは原子%であり、e及びfは夫々原子比を表し、35≦a≦65、及び0.85≦e/f≦1.25であり、Alはアルミニウムであり、Meは4a、5a、6a族、Si及びBから選択される少なくとも1種の元素であり、Nは窒素である。)で表され、
該第2硬質皮膜の組成は、(Ti100−hBh)mNp(但し、hは原子%であり、m及びpは夫々原子比を表し、0<h≦30、及び0.90≦m/p≦1.15であり、Tiはチタニウムであり、Bは硼素であり、Nは窒素である。)で表され、
該第1硬質皮膜、及び該第2硬質皮膜の結晶構造は夫々面心立方構造であり、
(111)面のピーク強度をIr、(200)面のピーク強度をIs、及び(220)面のピーク強度をItとしたときに、該第1硬質皮膜のX線回折において1.5≦Is/Ir≦15.0、及び0.6≦It/Ir≦1.5であり、該第2硬質皮膜のX線回折において0.2≦Is/Ir≦1.0、及び0.6≦It/Is≦1.5であり、
該第1硬質皮膜と該第2硬質皮膜のX線回折において、該第1硬質皮膜の(200)面の面間隔(nm)をd1、該第2硬質皮膜の(111)面の面間隔(nm)をd2としたときに、1.00≦d2/d1≦1.03であり、
該第2硬質皮膜は柱状組織を有し、該柱状組織の結晶粒はB成分に組成差を有する組成変調構造を有することを特徴とする硬質皮膜被覆工具。 - 請求項1記載の硬質皮膜被覆工具において、該第1硬質皮膜における窒素について、その一部を炭素及び/または酸素で置換し、非金属成分全体を100原子%とし、原子%で炭素の含有量をx、酸素の含有量をyとしたとき、0<x≦10、0<y≦10、0<x+y≦10、及び窒素の含有量は(100−x−y)であることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
- 請求項1または請求項2記載の硬質皮膜被覆工具において、該第2硬質皮膜におけるチタニウムについて、その一部をシリコンで置換し、金属成分全体を100原子%とし、原子%でシリコンの含有量をkとしたとき、0<k≦20、及びチタニウムの含有量は(100−h−k)であることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
- 請求項1ないし請求項3の何れかに記載の硬質皮膜被覆工具において、圧縮応力を有する該硬質皮膜の総膜厚は、10μm〜30μmであることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
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