JP2021112805A - 被覆切削工具 - Google Patents
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Abstract
Description
前記硬質皮膜は、金属元素の総量に対して、Alが50原子%以上、Crが30原子%以上のAlとCrの窒化物であり、金属元素と非金属元素の総量に対して、Arが0.02原子%以下であり、
金属元素、窒素、酸素、炭素およびArの合計を100原子%とした場合の前記硬質皮膜の金属元素の原子比率Aと窒素の原子比率Bとが1.02≦B/A≦1.10の関係を満たし、
X線回折または透過型電子顕微鏡を用いた制限視野回折パターンの強度プロファイルにおいて、面心立方格子構造の(111)面に起因する回折ピークが最大強度を示し、
前記硬質皮膜の断面観察において、円相当径が3μm以上のドロップレットが100μm2当たり1個未満であり、
前記硬質皮膜の表面は、ISO25178で規定される山頂点の算術平均曲率Spc(1/mm)の値が5000以下である被覆切削工具が提供される。
本実施形態の被覆切削工具は、基材となる工具の表面にAlとCrの窒化物からなる硬質皮膜を有する被覆切削工具である。基材としては、切削工具用のWC基超硬合金基材が用いられる。基材は、ヘッドとシャンクが一体のソリッド工具であってもよく、ヘッド交換式工具のヘッドであってもよく、ホルダに装着される切削インサートであってもよい。
本実施形態に係る硬質皮膜は、金属元素の総量に対して、Alが50原子%以上、Crが30原子%以上のAlとCrの窒化物である。
AlとCrの窒化物は耐摩耗性と耐熱性のバランスに優れる膜種であり、基材との密着性にも優れる。AlとCrの窒化物は、特にAlの含有比率を大きくすることで硬質皮膜の耐熱性がより向上する。また、Alの含有比率を大きくすることで、工具表面に酸化保護皮膜が形成され易くなるとともに、皮膜組織が微細になるため、溶着による硬質皮膜の摩耗が抑制され易くなる。更に、Alの含有比率を大きくすることで、切削抵抗が低下する傾向にある。上述したAlの添加効果を十分に発揮するには、本実施形態に係る硬質皮膜は、金属元素全体を100原子%とした場合、Alの含有比率を50原子%以上とする。更には、Alの含有比率を55原子%以上とすることが好ましい。一方、Alの含有比率が大きくなり過ぎると硬質皮膜の結晶構造が六方最密充填構造(hcp構造)となり易く、脆弱となる。そのため、本実施形態に係る硬質皮膜は、金属元素全体を100原子%とした場合、Alの含有比率を65原子%以下とすることが好ましい。更には、Alの含有比率を60原子%以下とすることが好ましい。
本実施形態に係る硬質皮膜は、金属元素と非金属元素の総量に対して、アルゴン(Ar)が0.02原子%以下である。硬質皮膜の欠陥となる粗大なドロップレットは、スパッタリング法を適用することで発生頻度を低減させることができる。一方、スパッタリング法ではアルゴンイオンを用いてターゲット成分をスパッタリングするため、スパッタリング法で被覆した硬質皮膜はアルゴンを含有し得る。とりわけ、アルゴンは結晶粒界に濃化し易く、結晶粒径が微粒になるとアルゴンの含有比率が大きくなる傾向になる。但し、アルゴンの含有比率が大きくなると、結晶粒界において粒子同士の結合力が低下する。本実施形態に係る硬質皮膜のように、AlCrの窒化物についても、過多に含まれるアルゴンは欠陥となるため、その含有比率を一定以下にすることが有効である。具体的には、本実施形態に係る硬質皮膜は、金属元素と非金属元素の総量に対して、アルゴンが0.02原子%以下である。本実施形態に係る硬質皮膜は、金属元素と非金属元素の総量に対して、アルゴンが0.01原子%以下であることが好ましい。なお、硬質皮膜のアルゴンの含有比率が0.02原子%以下あるいは0.01原子%以下である範囲には、測定装置の検出限界により値を正確に評価することが難しい範囲が含まれる。このような微量な含有量は、アルゴンを用いていないアークイオンプレーティング法で被覆した硬質皮膜と同レベルである。本実施形態に係る硬質皮膜は、金属元素と非金属元素の総量に対して、アルゴンが0.003原子%以上となり得る。
本実施形態に係る硬質皮膜においては、非金属元素としては窒素以外に微量のアルゴン、酸素、炭素が含まれうる。硬質皮膜におけるアルゴンの含有比率は、金属元素と窒素、酸素、炭素、アルゴンの含有比率を100原子%として求めることができる。
本実施形態に係る硬質皮膜は、金属元素と窒素、酸素、炭素、アルゴンの含有比率を100原子%とした場合の前記硬質皮膜の金属元素の原子比率Aと窒素の原子比率Bとが1.02≦B/A≦1.10の関係を満たす。原子比率A、Bの値は、上記した測定方法によるEPMAの測定値を用いる。硬質皮膜に微量に含まれ得る酸素、炭素、アルゴンを考慮した上で、窒素の含有比率を高めることで、硬質皮膜の耐熱性がより向上して被覆切削工具の耐久性を高めることができる。
B/Aの値が1.02未満であると完全な窒化物が十分に形成され難いため、硬質皮膜のミクロ組織および組成が不均一になり易く、被覆切削工具の耐久性が低下する傾向になる。また、B/Aの値が1.10よりも大きくなると残留圧縮応力が高くなり硬質皮膜が自己破壊を起こし易くなる。
B/Aのより好ましい範囲は、1.03≦B/A≦1.08である。
本実施形態に係る硬質皮膜は窒化物であるが、微量の酸素と炭素を含有しうる。これらの元素は窒化物の中に微量な酸化物や炭化物を形成するため、硬質皮膜の靭性を低下させうる。硬質皮膜に不可避的に含有される酸素と炭素を低減することができれば、AlとCrの窒化物の靭性を高めることができる。
本実施形態に係る硬質皮膜では、硬質皮膜に含有される微細な酸化物を極力少なくするため、酸素の含有比率を1.5原子%以下とすることが好ましい。更には、酸素の含有比率を1.0原子%以下とすることが好ましい。また、硬質皮膜に含有される微細な炭化物を極力少なくするため、炭素の含有比率を1.5原子%以下とすることが好ましい。更には、炭素の含有比率を1.0原子%以下とすることが好ましい。
酸素と炭素の含有比率は、炭素、窒素、酸素、アルゴン、金属元素の合計の含有比率を100原子%として求めればよい。
本実施形態に係る硬質皮膜は、X線回折または透過型電子顕微鏡を用いた制限視野回折パターンの強度プロファイルにおいて、面心立方格子構造(fcc構造)の(111)面に起因する回折ピークが最大強度を示す。つまり、本実施形態に係る硬質皮膜は、fcc構造が主体の結晶構造である。(111)面に起因する回折ピークが最大強度を示すAlとCrを主体とする窒化物を適用することで、被覆切削工具の耐久性が優れる傾向にある。
本実施形態に係る硬質皮膜は、回折パターンの強度プロファイルにおいて、fcc構造の(111)面以外に、fcc構造の(200)面、fcc構造の(220)面のピーク強度を有する。なお、本実施形態に係る硬質皮膜は、X線回折においては六方最密充填構造(hcp構造)の回折ピークは確認されないが、透過型電子顕微鏡を用いた制限視野回折パターンの強度プロファイルにおいては、一部にhcp構造の回折ピークを有する場合がある。
本実施形態に係る硬質皮膜は、断面観察において円相当径が3μm以上のドロップレットが100μm2当たり1個未満である。本実施形態では、硬質皮膜に含まれるArの含有比率を低くした上で、硬質皮膜の内部に含まれるドロップレットを低減する。物理蒸着法で被覆する硬質皮膜では、ドロップレットが主な物理的な欠陥となりうる。とりわけ、工具径が3mm以下、更には1mm以下の小径工具になると、工具性能に及ぼすドロップレットの影響度が大きくなるため、粗大なドロップレットの発生頻度を低減することで、被覆切削工具の耐久性を高めることができる。特に、極めて大きなドロップレットは硬質皮膜の内部に僅かに存在しても大きな破壊の起点となりうる。そのため、本実施形態においては、硬質皮膜の断面観察において、円相当径が3μm以上のドロップレットが100μm2当たり1個未満とする。更には、断面観察において、円相当径が5μm以上のドロップレットが無いことが好ましい。
本実施形態においては、硬質皮膜の断面観察において、円相当径が1μm以上のドロップレットを100μm2当たり5個以下とすることが好ましい。更には、断面観察において、円相当径が1μm以上のドロップレットが100μm2当たり3個以下であることが好ましい。
なお、円相当径とは、断面観察において、ドロップレットの面積と同じ面積を有する真円の直径である。
本発明者は、一般的な線評価での表面粗さである算術平均粗さRaや、最大高さ粗さRzを平滑にするだけでは工具性能のばらつきが大きくなる場合があり、より広い面評価において表面粗さを制御することが重要であることを知見した。そして、本発明者は、面評価であるISO25178で規定される算術平均高さSaと最大高さSzに加えて、山頂点の算術平均曲率Spcを制御することが有効であることを見出した。ここで、山頂点の算術平均曲率Spcとは、山の頂点が尖っている度合いの指標である。山頂点の算術平均曲率Spcの値が小さいと、他の物体と接触する山の頂点が丸みを帯びている状態を示す。山頂点の算術平均曲率Spcの値が大きいと、他の物体と接触する山の頂点が尖っている状態を示す。被覆切削工具の表面において、山頂点の算術平均曲率Spcの値をより小さくすることで、逃げ面の表面の“尖り”がより小さくなり、摩耗がより抑制され易くなる。さらに、本実施形態に係る被覆切削工具の表面について、算術平均高さSaを0.1μm以下、最大高さSzを2.0μm以下とすることで、表面は平滑な表面状態となる。さらに、本実施形態に係る被覆切削工具の表面について、山頂点の算術平均曲率Spc(1/mm)の値を5000以下とすることで、逃げ面の表面の“尖り”がより少なくなり、摩耗が抑制され易くなる。更には、山頂点の算術平均曲率Spc(1/mm)の値を3000以下とすることが好ましい。最大高さSzは2.0μm以下であることが好ましい。
このような表面状態を達成するには、スパッタリング法により、工具に硬質皮膜を被覆した後に、さらに、ウエットブラスト処理や研磨剤等を噴射して刃先処理を行うことが好ましい。
なお、これらの被覆切削工具の逃げ面の粗さは、逃げ面に形成された硬質皮膜の表面に関するものである。
本実施形態の被覆切削工具は、硬質皮膜の密着性をより向上させるため、必要に応じて、工具の基材と硬質皮膜との間に中間皮膜を設けてもよい。例えば、金属、窒化物、炭窒化物、炭化物のいずれかからなる層を工具の基材と硬質皮膜との間に設けてもよい。また、中間皮膜を設けずに基材の直上に硬質皮膜を設けてもよい。
工具として、組成がWC(bal.)−Co(8質量%)−V(0.3質量%)−Cr(0.4質量%)、硬度94.0HRA(ロックウェル硬さ、JIS G 0202に準じて測定した値)からなる超硬合金製の刃先交換式工具(三菱日立ツール株式会社製)を準備した。
工具をスパッタリング装置内のサンプルホルダーに固定し、工具にバイアス電源を接続した。なお、バイアス電源は、ターゲットとは独立して工具に負のバイアス電圧を印加する構造となっている。工具は、毎分2回転で自転しかつ、固定治具とサンプルホルダーを介して公転する。工具とターゲット表面との間の距離は100mmとした。
導入ガスは、Ar、およびN2を用い、スパッタリング装置に設けられたガス供給ポートから導入した。
まず工具に硬質皮膜を被覆する前に、以下の手順で工具にボンバード処理を行った。スパッタリング装置内のヒーターにより炉内温度が450℃になった状態で30分間の加熱を行った。その後、スパッタリング装置の炉内を真空排気し、炉内圧力を5.0×10−3Pa以下とした。そして、Arガスをスパッタリング装置の炉内に導入し、炉内圧力を0.8Paに調整した。そして、工具に−200Vの直流バイアス電圧を印加して、Arイオンによる工具のクリーニング(ボンバード処理)を実施した。
次いで、以下の手順でAlCrの窒化物を工具上に被覆した。
炉内温度を450℃に保持したまま、そして、スパッタリング装置の炉内にArガスを160sccmで導入し、その後、N2ガスを190sccmで導入して炉内圧力を0.7Paとした。工具に−40Vの直流バイアス電圧を印加して、そして、AlCr合金ターゲットに印加される電力の1周期当りの放電時間を0.5ミリ秒、電力が印加される合金ターゲットが切り替わる際に、電力の印加が終了する合金ターゲットと電力の印加を開始する合金ターゲットの両方の合金ターゲットに同時に電力が印加されている時間を10マイクロ秒として、3個のAlCr合金ターゲットに連続的に電力を印加して、工具の表面に約2.0μmの硬質皮膜を被覆した。このとき、電力パルスの最大電力密度は、1.0kW/cm2、平均電力密度は0.2kW/cm2とした。
本実施例1は硬質皮膜を被覆後に研磨剤を約60秒間噴射して刃先処理を行った。
比較例1は硬質皮膜を被覆後に刃先処理を行わなかった。
比較例2は硬質皮膜を被覆後に研磨剤を約60秒間噴射して刃先処理を行った。
硬質皮膜の皮膜組成は、電子プローブマイクロアナライザー装置(株式会社日本電子製 JXA−8500F)を用いて、付属の波長分散型電子プローブ微小分析(WDS−EPMA)で硬質皮膜の皮膜組成を測定した。物性評価用のボールエンドミルを鏡面加工して、加速電圧10kV、照射電流5×10−8A、取り込み時間10秒とし、分析領域が直径1μmの範囲を5点測定し、最大値と最小値を除いた3点の平均値から硬質皮膜の組成を求めた。
硬質皮膜の結晶構造は、X線回折装置(株式会社PaNalytical製 EMPYREA)を用い、管電圧45kV、管電流40mA、X線源Cukα(λ=0.15405nm)、2θが20度〜80度の測定条件で確認を行った。また、硬質皮膜の最大の回折ピーク強度から半価幅を測定した。また、硬質皮膜の(200)面の回折ピーク強度をI(200)、硬質皮膜の(111)面の回折ピーク強度をI(111)とした場合、I(111)/I(200)を算出した。
逃げ面を被覆する硬質皮膜における算術平均高さSa、最大高さSz、スキューネス(Ssk)および山頂点の算術平均曲率Spc(1/mm)は、ISO25178に規定に準拠して、株式会社キーエンス製の形状解析レーザ顕微鏡(VK−X250)を用いて、カットオフ値0.25mm、倍率50倍で観察して、60μm×100μmの領域を3カ所測定し、得られた測定値の平均から求めた。
作製した被覆切削工具を用いて切削試験を行った。表1に分析結果および切削試験結果を示す。切削条件は以下の通りである。
<切削試験>
(条件)乾式加工
・工具:2枚刃超硬ボールエンドミル
・型番:EPDBE2010−6、工具半径0.5mm
・切削方法:底面切削
・被削材:STAVAX(52HRC)(Bohler Uddeholm株式会社製)
・切り込み:軸方向0.04mm、径方向0.04mm
・切削速度:75.4m/min
・一刃送り量:0.018mm/刃
・切削距離:15m
・評価方法:切削加工後、走査電子顕微鏡を用いて観察倍率1000倍で観察し、工具と被削材が擦過した幅を測定し、そのうちの擦過幅が最も大きかった部分を最大摩耗幅とした。各試料について、皮膜特性および皮膜組織を観察した。皮膜特性および切削評価の結果を表1に示す。
図2に示すように、本実施例1の加工後の損傷状態は、比較例1、2に比べて最大摩耗幅が小さくなり、かつ、工具摩耗の偏りもより少ない安定した工具損傷状態であった。本実施例1はドロップレットが発生しにくいスパッタリング法で被覆後に、研磨剤を噴霧して平滑化したことで、算術平均曲率Spc(1/mm)の値が小さく、これにより工具損傷状態が安定したと推定される。
比較例2は、アークイオンプレーティング法で被覆したため、硬質皮膜の表面に粗大なドロップレットが多くあった。そのため、本実施例1と同様に研磨剤を噴霧して平滑化しても、本実施例1に比べて算術平均曲率Spc(1/mm)の値が大きくなった。これにより本実施例1に比べて最大摩耗幅が大きくなったと推定される。
Claims (1)
- 基材の表面に硬質皮膜を有する被覆切削工具であって、
前記硬質皮膜は、金属元素の総量に対して、Alが50原子%以上、Crが30原子%以上のAlとCrの窒化物であり、金属元素と非金属元素の総量に対して、Arが0.02原子%以下であり、
金属元素、窒素、酸素、炭素およびArの合計を100原子%とした場合の前記硬質皮膜の金属元素の原子比率Aと窒素の原子比率Bとが1.02≦B/A≦1.10の関係を満たし、
X線回折または透過型電子顕微鏡を用いた制限視野回折パターンの強度プロファイルにおいて、面心立方格子構造の(111)面に起因する回折ピークが最大強度を示し、
前記硬質皮膜の断面観察において、円相当径が3μm以上のドロップレットが100μm2当たり1個未満であり、
前記硬質皮膜の表面は、ISO25178で規定される山頂点の算術平均曲率Spc(1/mm)の値が5000以下である、被覆切削工具。
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