JP2017177239A - 表面被覆切削工具、およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】表面被覆切削工具は、基材と、該基材の表面に形成された被膜とを備え、被膜は、第1交互層と、該第1交互層上に形成された第2交互層とを含み、第1交互層は、第1層と第2層とを含み、第2交互層は、第3層と第4層とを含み、第1層と第2層とは交互にそれぞれ1層以上積層され、第3層と第4層とは交互にそれぞれ1層以上積層され、第1層は、AlaCrbM11-a-bの窒化物または炭窒化物からなり、第2層は、AlcTidM21-c-dの窒化物または炭窒化物からなり、第3層は、AleTifM31-e-fの窒化物または炭窒化物からなり、第4層は、AlgTihM41-g-hの窒化物または炭窒化物からなり、M1、M2、M3およびM4は、Cr、Tiを除く周期表の第4族元素、第5族元素、第6族元素、SiおよびBからなる群より選択される1種以上の元素である。
【選択図】図1
Description
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
以下、本発明の実施形態(以下「本実施形態」とも記す)についてさらに詳細に説明する。以下の実施形態の説明では、図面を用いて説明しているが、その図面において同一の参照符号を付したものは、同一または相当部分を示す。
本実施形態に係る表面被覆切削工具は、たとえば図1に示すように、基材12と、該基材12の表面に形成された被膜11とを備える。表面被覆切削工具1は、後述する構成を備えることにより、優れた耐チッピング性および耐摩耗性を示し、過酷な切削条件に耐え、優れた刃先品位を得ることができる。
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も使用することができる。たとえば、超硬合金[たとえば、WC(炭化タングステン)基超硬合金、WCのほか、Co(コバルト)を含み、あるいはTi(チタン)、Ta(タンタル)、Nb(ニオブ)などの炭窒化物を添加したものも含む]、サーメット(炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタンなどを主成分とするもの)、高速度鋼、セラミックス(炭化チタン、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど)、立方晶型窒化ホウ素焼結体、またはダイヤモンド焼結体のいずれかであることが好ましい。基材としてWC基超硬合金を用いる場合、その組織中に遊離炭素およびη相と呼ばれる異常層のいずれか一方または両方を含んでいてもよい。
被膜は、図1に示すように第1交互層112と、該第1交互層112上に形成された第2交互層113とを含む。この第1交互層112は、第1層と第2層とを含む。第2交互層113は、第3層と第4層とを含む。第1層と第2層とは、交互にそれぞれ1層以上積層されている。第3層と第4層とは、交互にそれぞれ1層以上積層されている。第1交互層112は、耐摩耗性を特に備えるために構成する2層以上からなる多層膜であり、本明細書において「耐摩耗層」と称する場合がある。また、第1交互層112は、その上に第2交互層113が形成されるため、本明細書において「下部層」と称する場合もある。
図1および図2に示すように、第1交互層112は、上述のとおり第1層と第2層とを含む。第1層と第2層とは、交互にそれぞれ1層以上積層されている。特に、第1層の厚みλ1および第2層の厚みλ2は、それぞれ0.005μm以上2μm以下であることが好ましい。第1層の厚みλ1および第2層の厚みλ2がそれぞれ0.005μm未満である場合、各層が混ざり合って第1層と第2層とを交互に積層したことによる効果を得ることができない傾向がある。一方、第1層の厚みλ1および第2層の厚みλ2がそれぞれ2μmを超える場合、クラックの進展を抑制する効果が得られにくい傾向がある。第1交互層について耐摩耗性および耐酸化性を強化する観点から、第1層の厚みλ1および第2層の厚みλ2は、それぞれ0.005μm以上0.5μm以下であることがより好ましい。
第1層は、AlaCrbM11-a-bの窒化物または炭窒化物からなり、第1層を構成する各金属原子の原子数比は、0.5≦a≦0.9、0<b≦0.4、および0≦1−a−b≦0.1の関係を満たす。第1層は、窒化物または炭窒化物であることにより、膜の硬度が高くなり耐摩耗性が向上する、被削材に対する摩擦係数が小さくなることにより耐溶着性が向上するなどの効果がある。
第2層は、AlcTidM21-c-dの窒化物または炭窒化物からなり、第2層を構成する各金属原子の原子数比は、0.35≦c≦0.7、0.3≦d≦0.7、および0≦1−c−d≦0.1の関係を満たす。第2層は、窒化物または炭窒化物であることにより、膜の硬度が高くなり耐摩耗性が向上する、被削材に対する摩擦係数が小さくなることにより耐溶着性が向上するなどの効果がある。
図1に示すように、第2交互層113は、第1交互層112上であって、第1交互層112の基材側とは反対側に形成されている。第2交互層113は、第3層と第4層とを含む。第3層と第4層とは、交互にそれぞれ1層以上積層されている。特に、第3層の厚みλ3および第4層の厚みλ4は、それぞれ0.005μm以上2μm以下であることが好ましい。第3層の厚みλ3および第4層の厚みλ4がそれぞれ0.005μm未満である場合、各層が混ざり合い第3層と第4層とを交互に積層したことによる効果を得ることができない傾向がある。一方、第3層の厚みλ3および第4層の厚みλ4がそれぞれ2μmを超える場合、クラックの進展を抑制する効果が得られにくい傾向がある。第2交互層について耐摩耗性および耐亀裂進展性を強化する観点から、第3層の厚みλ3および第4層の厚みλ4は、0.005μm以上0.5μm以下であることがより好ましい。
第3層は、AleTifM31-e-fの窒化物または炭窒化物からなり、第3層を構成する各金属原子の原子数比は、0.35≦e≦0.7、0.3≦f≦0.7、および0≦1−e−f≦0.1の関係を満たす。第3層は、窒化物または炭窒化物であることにより、膜の硬度が高くなり耐摩耗性が向上する、被削材に対する摩擦係数が小さくなることにより耐溶着性が向上するなどの効果がある。
第4層は、AlgTihM41-g-hの窒化物または炭窒化物からなり、第4層を構成する各金属原子の原子数比は、0.35≦g≦0.7、0.3≦h≦0.7、および0≦1−g−h≦0.1の関係を満たす。第4層は、窒化物または炭窒化物であることにより、膜の硬度が高くなり耐摩耗性が向上する、被削材に対する摩擦係数が小さくなることにより耐溶着性が向上するなどの効果がある。
図1および図4に示すように被膜11は、第1交互層112よりも基材12側に密着層111を含むことが好ましい。すなわち被膜11は、第1交互層112と基材12との間に密着層111を含むことが好ましい。より好ましくは、被膜11において密着層111は、第1交互層112および基材12と接する構成となる。被膜11が密着層111を含むことにより、被膜11の基材12からの剥離が防止され、表面被覆切削工具1の寿命を安定化させることができる。
(a)Ti、Wを含む炭化物、窒化物もしくは炭窒化物(たとえばWTiC、WTiN、WTiCNなど)
(b)Cr、Wを含む炭化物、窒化物もしくは炭窒化物(たとえばWCrC、WCrN、WCrCNなど)
(c)Ti、Cr、Wを含む炭化物、窒化物もしくは炭窒化物(たとえば、WCrTiC、WCrTiN、WCrTiCNなど)
(d)Ti、Al、Wを含む炭化物、窒化物もしくは炭窒化物(たとえばWTiAlC、WTiAlN、WTiAlCNなど)
(e)Ti、Si、Wを含む炭化物、窒化物もしくは炭窒化物(たとえばWTiSiC、WTiSiN、WTiSiCNなど)
(f)Ti、Cr、Al、Wを含む炭化物、窒化物もしくは炭窒化物(たとえばWCrTiAlC、WCrTiAlN、WCrTiAlCNなど)
(g)Ti、Cr、Si、Wを含む炭化物、窒化物もしくは炭窒化物(たとえばWCrTiSiC、WCrTiSiN、WCrTiSiCNなど)
(h)Ti、Al、Si、Wを含む炭化物、窒化物もしくは炭窒化物(たとえばWTiAlSiC、WTiAlSiN、WTiAlSiCNなど)
(i)Ti、Cr、Al、Si、Wを含む炭化物、窒化物もしくは炭窒化物(たとえばWCrTiAlSiC、WCrTiAlSiN、WCrTiAlSiCNなど)
(j)上記の(a)〜(i)においてCrの全部または一部がTi、ZrおよびNbから選択される1種以上の元素と置き換えられた炭化物、窒化物もしくは炭窒化物。
本実施形態に係る表面被覆切削工具の製造方法は、基材を準備する第1工程と、第1層と第2層とを物理的蒸着法を用いて交互にそれぞれ1層以上積層することにより、第1交互層を形成する第2工程と、第1交互層上に、第3層と第4層とを物理的蒸着法を用いて交互にそれぞれ1層以上積層することにより、第2交互層を形成する第3工程とを含む。
第1工程では基材が準備される。たとえば、基材として超硬合金基材が準備される。超硬合金基材は、市販のものを用いてもよく、一般的な粉末冶金法で製造してもよい。一般的な粉末冶金法で製造する場合、たとえば、ボールミルなどによってWC粉末とCo粉末などとを混合して混合粉末を得る。該混合粉末を乾燥した後、所定の形状に成形して成形体を得る。さらに該成形体を焼結することにより、WC−Co系超硬合金(焼結体)を得る。次いで該焼結体に対して、ホーニング処理などの所定の刃先加工を施すことにより、WC−Co系超硬合金からなる基材を製造することができる。第1工程では、上記以外の基材であっても、この種の基材として従来公知のものであればいずれも準備可能である。
後述する第2工程の前に、基材を洗浄する基材洗浄工程を行なうことができる。たとえば、第2工程においてカソードアークイオンプレーティング法を用いて被膜を形成する前に、基材の表面に対してイオンボンバードメント処理を施すことができる。これによりたとえば、基材として超硬合金基材を用いた場合、基材の表面から軟質な結合相を除去することができる。その後、基材上に密着層を形成することにより、密着層と基材とが接する部分における硬質粒子の占有率を高めることができる。このとき基材における密着層と接する面積のうち80%以上がWCであることがより好ましい。
さらにイオンボンバードメント処理自体により、密着層の前駆体を形成することができる。すなわちイオンボンバードメント処理においてCr、Ti、ZrおよびNbから選択される1種以上の元素を含むターゲットを使用することにより、基材の表面を洗浄しながら、これらの元素を密着層の前駆体として基材の表面に付着させることができる。そして、これらの元素が付着した表面上に、後述する第2工程である第1交互層を形成する工程を行なうことにより、密着力に優れる密着層を、第1交互層と併せて形成することができる。イオンボンバードメント処理に使用され、かつ密着層に含まれる元素としては、Crであることがより望ましい。Crは昇華性の元素であるため、イオンボンバードメント処理の際に溶融粒子(ドロップレット)の発生が少なく、基材の表面荒れを防止できるからである。
第2工程では、第1層と第2層とが交互にそれぞれ1層以上積層された第1交互層が形成される。その方法としては、形成しようとする第1層および第2層の組成に応じて、各種の方法が用いられる。たとえば、Ti、Cr、AlおよびSiなどの粒径をそれぞれ変化させた合金製ターゲットを使用する方法、それぞれ組成の異なる複数のターゲットを使用する方法、成膜時に印可するバイアス電圧をパルス電圧とする方法、あるいは成膜時にガス流量を変化させる方法、成膜装置において基材を保持する基材ホルダの回転速度を調整する方法などを挙げることができる。これらの方法を組み合わせて第1交互層を形成することもできる。
第3工程では、第3層と第4層とが交互にそれぞれ1層以上積層された第2交互層が形成される。その方法としても第2工程と同様に、形成しようとする第3層および第4層の組成に応じて、各種の方法が用いられる。たとえば、Tiと、Alと、SiまたはBとの粒径をそれぞれ変化させた合金製ターゲットを使用する方法、それぞれ組成の異なる複数のターゲットを使用する方法、成膜時に印可するバイアス電圧をパルス電圧とするか、あるいはガス流量を変化させる方法、成膜装置において基材を保持する基材ホルダの回転速度を調整する方法などを挙げることができる。これらの方法を組み合わせて第2交互層を形成することもできる。
図5に、本実施例で用いた成膜装置(カソードアークイオンプレーティング装置)の模式的な側面透視説明図を示し、図6に、図5に示すカソードアークイオンプレーティング装置の模式的な平面透視説明図を示す。
この成膜装置のチャンバ2内に、基材12を準備する。本実施例では、基材12としてグレードがISO規格P30の超硬合金であって形状がJIS規格のSFKN12T3AZTNであるチップを用いた。図5に示すように、基材12は、チャンバ2内の中央に備え付けられた回転テーブル20上の基材ホルダ21の外表面に取り付けた。
実施例1〜11、13、15〜23においては、上記の基材12の洗浄に引き続き、基材12を中央で回転させた状態で、反応ガスとして窒素を導入した。さらに、基材12を温度500℃に、反応ガス圧を2.0Paに、バイアス電源42の電圧を−30V〜−800Vの範囲の一定値にそれぞれ維持し、またはそれぞれを徐々に変化させながら第1層形成用の蒸発源31および第2層形成用の蒸発源32にそれぞれ100Aのアーク電流を供給した。これにより、蒸発源31および蒸発源32からそれぞれ金属イオンを発生させ、所定の時間が経過したところでアーク電流の供給を止めて、基材12の表面上に表1に示す組成の第1交互層を形成した。このとき第1交互層は、表1に示す組成を有する第1層および第2層を、表1に示す厚みおよび層厚比(λ1/λ2)を有するように基材12の回転速度を調整しながら、それぞれ1層ずつ交互に積層することによって作製した。
ここで実施例11〜23においては、上記の「(基材の準備および洗浄)」に係る工程に引き続き、表4に示す組成および厚みの密着層を形成した。比較例2については、密着層に相当するものとしてTiNを表4に示す厚みで形成した。
≪連続切削試験≫
上述のようにして得た実施例および比較例の表面被覆切削工具に対し、以下の条件で連続切削試験を行ない、逃げ面摩耗幅が0.2mmを超えるまでに切削した距離(単位は、m)を測定することにより、工具寿命を評価した。その結果を表4に示す。切削距離の値が大きいほど寿命がより長いことを示す。
切削材 : SCM435
切削速度v(m/min) : 250
送り速度f(mm/刃) : 0.3
切り込み量ap(mm) : 2.0
半径方向の切り込み量as(mm) : 50。
さらに、実施例および比較例の表面被覆切削工具に対し、以下の条件で乾式の断続切削試験を行ない、刃先が欠損するまでに切削した距離(単位は、m)を測定することにより、工具寿命を評価した。その結果を表4に示す。切削距離の値が大きいほど寿命がより長いことを示す。
切削材 : SUS316
切削速度v(m/min) : 200
送り速度f(mm/刃) : 0.2
切り込み量ap(mm) : 2
半径方向の切り込み量as(mm) : 50。
表4に示すように、各実施例に係る表面被覆切削工具は、各比較例の表面被覆切削工具に比べ、工具寿命が向上していることが明らかである。その理由は、第1層および第2層からなる第1交互層により、耐摩耗性が向上し、第3層および第4層からなる第2交互層により、耐チッピング性が向上したことによるものと考えられる。したがって、実施例に係る表面被覆切削工具はそれぞれ、優れた耐チッピング性および耐摩耗性を示し、過酷な切削条件に耐え、優れた刃先品位を得ることができる。
Claims (12)
- 基材と、該基材の表面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、第1交互層と、該第1交互層上に形成された第2交互層とを含み、
前記第1交互層は、第1層と第2層とを含み、
前記第2交互層は、第3層と第4層とを含み、
前記第1層と前記第2層とは、交互にそれぞれ1層以上積層され、
前記第3層と前記第4層とは、交互にそれぞれ1層以上積層され、
前記第1層は、AlaCrbM11-a-bの窒化物または炭窒化物からなり、前記第1層を構成する各金属原子の原子数比は、0.5≦a≦0.9、0<b≦0.4、および0≦1−a−b≦0.1の関係を満たし、
前記第2層は、AlcTidM21-c-dの窒化物または炭窒化物からなり、前記第2層を構成する各金属原子の原子数比は、0.35≦c≦0.7、0.3≦d≦0.7、および0≦1−c−d≦0.1の関係を満たし、
前記第3層は、AleTifM31-e-fの窒化物または炭窒化物からなり、前記第3層を構成する各金属原子の原子数比は、0.35≦e≦0.7、0.3≦f≦0.7、および0≦1−e−f≦0.1の関係を満たし、
前記第4層は、AlgTihM41-g-hの窒化物または炭窒化物からなり、前記第4層を構成する各金属原子の原子数比は、0.35≦g≦0.7、0.3≦h≦0.7、および0≦1−g−h≦0.1の関係を満たし、
前記第3層を構成するAlの原子数比eおよび前記第4層を構成するAlの原子数比gは、0.05≦|g−e|≦0.2の関係を満たし、
前記第3層を構成するTiの原子数比fおよび前記第4層を構成するTiの原子数比hは、0.05≦|h−f|≦0.2の関係を満たし、
前記M1、前記M2、前記M3および前記M4は、それぞれ独立してCr、Tiを除く周期表の第4族元素、第5族元素、第6族元素、SiおよびBからなる群より選択される1種以上の元素である、表面被覆切削工具。 - 前記第2層を構成するAlの原子数比c、前記第3層を構成するAlの原子数比eおよび前記第4層を構成するAlの原子数比gは、e≦c≦gの関係を満たし、
前記第2層を構成するTiの原子数比d、前記第3層を構成するTiの原子数比fおよび前記第4層を構成するTiの原子数比hは、h≦d≦fの関係を満たす、請求項1に記載の表面被覆切削工具。 - 前記第1交互層は、最上層が前記第2層である、請求項1または請求項2に記載の表面被覆切削工具。
- 前記第1交互層は、最下層が前記第1層または前記第2層である、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の表面被覆切削工具。
- 前記第1層の厚みλ1および前記第2層の厚みλ2は、それぞれ0.005μm以上2μm以下であり、
前記第1層と前記第2層との厚みの比であるλ1/λ2は、1≦λ1/λ2≦5の関係を満たす、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の表面被覆切削工具。 - 前記第3層の厚みλ3および前記第4層の厚みλ4は、それぞれ0.005μm以上2μm以下であり、
前記第3層と前記第4層との厚みの比であるλ3/λ4は、1≦λ3/λ4≦5の関係を満たす、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の表面被覆切削工具。 - 前記被膜は、全体の厚みが0.5μm以上15μm以下である、請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の表面被覆切削工具。
- 前記被膜は、前記第1交互層よりも前記基材側に密着層を含み、
前記密着層は、厚みが0.5nm以上20nm以下であり、
前記密着層は、前記基材を構成する元素からなる群より選択される1種以上の元素と、第1元素と、第2元素とを含む炭化物、窒化物または炭窒化物であり、
前記第1元素は、Cr、Ti、ZrおよびNbを除く周期表の第4族元素、第5族元素、第6族元素、Al、SiおよびBからなる群より選択される1種以上の元素であり、
前記第2元素は、Cr、Ti、ZrおよびNbからなる群より選択される1種以上の元素であり、
前記基材を構成する元素からなる群より選択される1種以上の元素は、少なくともWを含み、前記Wが前記密着層に拡散している、請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の表面被覆切削工具。 - 前記基材は、WCを含む硬質粒子と、該硬質粒子同士を結合する結合相とを含み、
前記結合相は、Coを含み、
前記密着層は、W、Cr、Ti、AlおよびM5を含む炭化物、窒化物または炭窒化物であり、
前記M5は、W、Cr、Tiを除く周期表の第4族元素、第5族元素、第6族元素、SiおよびBからなる群より選択される1種以上の元素である、請求項8に記載の表面被覆切削工具。 - 前記第1交互層および前記第2交互層は、結晶構造が立方晶である、請求項1〜請求項9のいずれか1項に記載の表面被覆切削工具。
- 請求項1〜請求項10のいずれか1項に記載の表面被覆切削工具の製造方法であって、
前記基材を準備する第1工程と、
前記第1層と前記第2層とを物理的蒸着法を用いて交互にそれぞれ1層以上積層することにより、前記第1交互層を形成する第2工程と、
前記第1交互層上に、前記第3層と前記第4層とを物理的蒸着法を用いて交互にそれぞれ1層以上積層することにより、前記第2交互層を形成する第3工程とを含む、表面被覆切削工具の製造方法。 - 前記物理的蒸着法は、カソードアークイオンプレーティング法、バランスドマグネトロンスパッタリング法およびアンバランスドマグネトロンスパッタリング法からなる群より選択される少なくとも1種である、請求項11に記載の表面被覆切削工具の製造方法。
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