JP2011020194A - 表面被覆切削工具 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の表面被覆切削工具は、1以上の層を含み、該層のうち少なくとも1の層は、化学式Ti1-XZrXMαZβ(ただし、MはYおよびSiの少なくとも一方、X、α、βはそれぞれ原子比を示し、Xは0.2≦X≦0.6であり、αは0.02≦α≦0.2、βは0.1≦β≦2である。また、Zは酸素、炭素、および窒素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を示す。)で示される第1化合物を含むY/Si添加チタンジルコニウム層であり、上記第1化合物は、X線回折における(111)面のピーク強度Aと(200)面のピーク強度Bとの比B/Aが0≦B/A≦1となる結晶構造を有することを特徴とする。
【選択図】なし
Description
<表面被覆切削工具>
本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備えるものである。このような構成を有する本発明の表面被覆切削工具は、たとえばドリル、エンドミル、フライス加工用または旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ、またはクランクシャフトのピンミーリング加工用チップ等として極めて有用に用いることができる。そして、本発明の表面被覆切削工具は、Ti合金加工用またはインコネル合金等の耐熱合金加工用のドリル、エンドミル、フライス加工用または旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ、等として特に有用に用いることができる。
本発明の表面被覆切削工具の基材としては、このような切削工具の基材として知られる従来公知のものを特に限定なく使用することができる。たとえば、超硬合金(たとえばWC基超硬合金、WCの他、Coを含み、あるいはさらにTi、Ta、Nb等の炭窒化物等を添加したものも含む)、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、炭化硅素、窒化硅素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、およびこれらの混合体など)、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体等をこのような基材の例として挙げることができる。このような基材として超硬合金を使用する場合、そのような超硬合金は、組織中に遊離炭素やη相と呼ばれる異常相を含んでいても本発明の効果は示される。
本発明の表面被覆切削工具の上記基材上に形成される被膜は、1以上の層を含むものである。そして、それらの層のうち少なくとも1の層は、以下で詳述する第1化合物を含むY/Si添加ジルコニウムチタン層である。本発明の被膜は、このY/Si添加ジルコニウムチタン層を含む限り、さらに他の層を含んでいても差し支えない。なお、本発明の被膜は、基材上の全面を被覆するもののみに限られるものではなく、部分的に被膜が形成されている態様を含む。
本発明のY/Si添加ジルコニウムチタン層は、化学式Ti1-XZrXMαZβ(ただし、MはYおよびSiの少なくとも一方、X、α、βはそれぞれ原子比を示し、Xは0.2≦X≦0.6であり、αは0.02≦α≦0.2、βは0.1≦β≦2である。また、Zは酸素、炭素、および窒素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を示す。)で示される第1化合物を含むものである。このような第1化合物は、Zrを含まない構造の化合物に比し高い硬度を示す。これは恐らく、第1化合物の結晶格子中において、Zrが特定部位のTiに対して侵入型または置換型として混在することにより結晶格子が歪むとともに、結晶粒自体が微細化するためではないかと推測される。
上記Y/Si添加ジルコニウムチタン層に含まれる第1化合物は、化学式Ti1-XZrXMαZβ(ただし、Y(イットリウム)およびSiの少なくとも一方、X、α、βはそれぞれ原子比を示し、Xは0.2≦X≦0.6であり、αは0.02≦α≦0.2、βは0.1≦β≦2である。また、Zは酸素、炭素、および窒素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を示す。)で示される化合物である。上記化学式中、原子比Xは、好ましくは0.35≦X≦0.5であり、Xの下限はより好ましくは0.4、さらに好ましくは0.44であり、その上限はより好ましくは0.49、さらに好ましくは0.47である。この原子比Xが0.6を超えると優れた耐摩耗性が示されなくなる。
上記第1化合物は、X線回折における(111)面のピーク強度Aと(200)面のピーク強度Bとの比B/Aが0≦B/A≦1となる結晶構造を有することを特徴とする。すなわち、このように規定される結晶構造は、本発明の第1化合物の配向性が(200)優先配向ではなく(111)優先配向であることを示している。この事実は、無配向であるTiN粉末の上記比B/Aが1.3となり、同じく無配向であるCrN粉末の上記比B/Aが1.25となることからも裏付けられる。なぜなら、本発明の第1化合物がもし無配向ならば当然上記比B/Aは1.25〜1.3の範囲内の数値を示すことが予想されるからである。
本発明の上記Y/Si添加ジルコニウムチタン層は、上記第1化合物を含む第1層と、第2化合物を含む第2層とが各々1層以上積層されて形成されているものとすることができ、この第2化合物は、Si、Cr、Al、Ti、Hf、Ta、Nb、およびVからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素とを含むものとすることができる。このような第1層は、その厚みが0.5nm以上200nm以下であることが好ましく、また第2層も、その厚みが0.5nm以上200nm以下であることが好ましい。
本発明のY/Si添加ジルコニウムチタン層は、0.3μm以上10μm以下の厚みを有することが好ましい。より好ましくは、その上限が8μm以下、さらに好ましくは7μm以下、特に好ましくは6μm以下であり、その下限が0.7μm以上であることがより好ましく、さらに好ましくは1μm以上である。
本発明の表面被覆切削工具は、被膜として下地層が基材上に形成され、その下地層上に上記Y/Si添加ジルコニウムチタン層が形成されたものとすることができ、この下地層は、Tiと、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素とを含む第3化合物を含むことができる。この第3化合物は基材との密着性に優れ、このため基材上に基材と接するようにしてこの下地層を形成し、この下地層上に上記Y/Si添加ジルコニウムチタン層を形成すればこれらの被膜が全体として密着力高く基材上に形成されることになる。
本発明の被膜は、上記のようなY/Si添加ジルコニウムチタン層や下地層以外の他の層をさらに1以上含むことができる。たとえばそのような他の層は、下地層とY/Si添加ジルコニウムチタン層との間に形成したり、Y/Si添加ジルコニウムチタン層の上に形成したりすることができる。このような他の層を形成することにより、クレーター摩耗を低減するとともに高度な耐摩耗性を付与するという本発明の効果がさらに向上したり、あるいは潤滑性を付与したり、被削材との溶着を抑制したりすることができるという効果を達成することもできる。
本発明の被膜とりわけY/Si添加ジルコニウムチタン層は、上記の通り結晶性の高い化合物で構成されている必要があるため、本発明の被膜はそのような結晶性の高い化合物で構成されるような成膜プロセスにより形成されていることが好ましい。したがって、本発明の被膜は特に物理蒸着法(PVD法)により形成されることが望ましい。このような物理蒸着法としては、たとえばバランストマグネトロンスパッタリング法、アンバランストマグネトロンスパッタリング法、アークイオンプレーティング法、これらを各組み合わせた方法等を挙げることができる。なお、Y/Si添加ジルコニウムチタン層が上記のような積層構造で形成されている場合であっても、これらの物理蒸着法の下、従来公知の手法により形成することができる。
まず、基材として、グレードがP30(JIS B 4053−1998)の超硬合金であり、形状がSNGN120408(JIS B 4121−1998)である切削チップを準備し、これを洗浄した後、陰極式アークイオンプレーティング装置(成膜装置)内の基板取り付け位置にセットした。なお、このような成膜装置としては従来公知の構成のものを特に制限なく使用することができる。
まず、基材として、上記の陰極式アークイオンプレーティング法で用いたものと同じ基材を準備し、これを洗浄した後、スパッタリング装置(成膜装置)内の基板取り付け位置にセットした。次いで、上記基材表面に形成される被膜(すなわち第1化合物からなるY/Si添加ジルコニウムチタン層)として、その化学組成が以下の表1に示したものとなるように各対応する元素を含んだ各ターゲットをセットした(実施例9〜16)。該ターゲットは、合金ターゲットでも良いし、金属単体のターゲットを上記化学組成となるように分割して用いることもできる。なお、このような成膜装置としては従来公知の構成のものを特に制限なく使用することができる。
表1の「積層構造」の項において、Y/Si添加ジルコニウムチタン層が前述の第1層と第2層とが積層されて形成されている場合は「有」と表記し、そのような積層構造とはなっていない場合(すなわち単層の場合)は「無」と表記した。
以上のようにして製造された実施例1〜18の表面被覆切削工具について、θ−2θ法によるX線回折を行なうことにより、Y/Si添加ジルコニウムチタン層(すなわち第1化合物)の結晶構造、すなわち(111)面のピーク強度Aと(200)面のピーク強度Bとの比B/Aと、結晶粒径と、(111)面の面間隔と、(200)面の面間隔を求めた。X線はCuKα線とし、結晶粒径(すなわち第1化合物の結晶粒径)は(111)面の半価幅より算出し、面間隔はピーク強度が最大になる点の2θ角度から算出した。これらの結果を以下の表4に示す。
比較例1として、第1化合物においてZrを含まない化合物(すなわち具体的にはTiN)による被膜を基材上に形成した表面被覆切削工具を製造した。また、比較例2として、TiAlNからなる被膜を基材上に形成した表面被覆切削工具を製造した。また、比較例3は、実施例2の第1化合物と同じ組成の化合物からなる被膜を形成したものであるが、成膜時のバイアス電圧を0Vに変更することにより(111)面のピーク強度Aと(200)面のピーク強度Bとの比B/Aが1.13となる点において実施例2とは異なる表面被覆切削工具である。
上記のようにして製造された実施例1〜18の表面被覆切削工具および比較例1〜11の表面被覆切削工具について、以下の切削条件により連続旋削試験を8分間実施することにより、逃げ面摩耗量とクレーター摩耗量とを測定した。逃げ面摩耗量が小さいもの程耐摩耗性に優れていることを示し、クレーター摩耗量が小さいもの程クレーター摩耗が低減されていることを示す。その結果を以下の表5に示す。
被削材:SCM435
切削速度:350m/min
切込み:1.5mm
送り:0.15mm/rev.
乾式/湿式:湿式
Claims (7)
- 基材と該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
前記被膜は、1以上の層を含み、
前記層のうち少なくとも1の層は、化学式Ti1-XZrXMαZβ(ただし、MはYおよびSiの少なくとも一方、X、α、βはそれぞれ原子比を示し、Xは0.2≦X≦0.6であり、αは0.02≦α≦0.2、βは0.1≦β≦2である。また、Zは酸素、炭素、および窒素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を示す。)で示される第1化合物を含むY/Si添加チタンジルコニウム層であり、
前記第1化合物は、X線回折における(111)面のピーク強度Aと(200)面のピーク強度Bとの比B/Aが0≦B/A≦1となる結晶構造を有することを特徴とする表面被覆切削工具。 - 前記化学式Ti1-XZrXMαZβにおける前記Xは、0.35≦X≦0.5である請求項1に記載の表面被覆切削工具。
- 前記第1化合物は、その結晶粒径が0.1nm以上200nm以下である請求項1または2に記載の表面被覆切削工具。
- 前記Y/Si添加チタンジルコニウム層は、前記第1化合物を含む第1層と、第2化合物を含む第2層とが各々1層以上積層されて形成されており、
前記第2化合物は、Si、Cr、Al、Ti、Hf、Ta、Nb、およびVからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素とを含む請求項1〜3のいずれかに記載の表面被覆切削工具。 - 前記第1層は、その厚みが0.5nm以上200nm以下であり、
前記第2層は、その厚みが0.5nm以上200nm以下である請求項4記載の表面被覆切削工具。 - 前記表面被覆切削工具は、前記被膜として下地層が前記基材上に形成され、その下地層上に前記Y/Si添加チタンジルコニウム層が形成されており、
前記下地層は、Tiと、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素とを含む第3化合物を含む請求項1〜5のいずれかに記載の表面被覆切削工具。 - 前記Y/Si添加チタンジルコニウム層は、0.3μm以上10μm以下の厚みを有する請求項1〜6のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
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