JP3462859B2

JP3462859B2 - 被覆切削工具

Info

Publication number: JP3462859B2
Application number: JP2001025126A
Authority: JP
Inventors: 吉生岡田; 秀樹森口; 和広渡部
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2001-02-01
Filing date: 2001-02-01
Publication date: 2003-11-05
Anticipated expiration: 2021-02-01
Also published as: JP2002233902A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基材表面に硬質被
膜を有する被覆切削工具とその製造方法に関するもので
ある。特に、過酷な切削加工条件下にあって硬質被膜の
柱状結晶組織の粒界強度を増し、亀裂の進展を抑制する
ことにより優れた耐摩耗性を維持しつつ、耐剥離性を向
上させた被覆切削工具に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年被覆超硬工具は省エネ化、省力化等
から切削加工が高速化に向かい、使用される環境がます
ます過酷になっており、一段と優れた耐摩耗性を備える
必要がある。そのため、耐摩耗性向上に効果のある縦長
成長結晶組織（以下、縦長成長結晶を柱状結晶と呼ぶ）
を有する炭窒化チタンの硬度を高め、耐摩耗性能を上げ
るため微細柱状結晶にする傾向がある。

【０００３】微細柱状結晶を有する炭窒化チタンを製造
するためには、特開平11−172464号公報等にあるように
アセトニトリル等の有機CNを用いた柱状結晶組織を有す
る炭窒化チタン層の下部層に同じ柱状結晶組織を有する
炭窒酸化チタン層を介在させることが提案されている。
この公報によれば、炭窒酸化チタンの微細組織につづき
炭窒化チタンを核生成させるため、相対的に炭窒化チタ
ンが微細な柱状結晶になり耐摩耗性向上に寄与するとあ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この微細柱状
結晶組織の炭窒化チタンは柱状結晶粒界に亀裂が進展し
易く、被膜の剥離に起因するという欠点がある。硬質合
金基材上に粒状結晶組織の窒化チタン、窒酸化チタン、
炭化チタン、炭酸化チタン、炭窒化チタンを少なくとも
1層以上を被覆させると被覆表面が円筒状のドーム型に
なる。このドーム形状効果により、アセトニトリル等の
有機CNを用いた化学蒸着法による柱状炭窒酸化チタン
は、成長方向である上部にいく程広がった組織のテーパ
ー型の柱状組織になり易い。そのため、成膜が進むにつ
れて柱状結晶間に微細な空隙を生じる。この空隙は結晶
間の結合力を弱め切削加工時に膜中に発生するクラック
進展を助長し、耐剥離性を減じる要因となる。

【０００５】また、柱状結晶組織を有する炭窒酸化チタ
ンがテーパー形状になると、その最表面は凹凸形状にな
り、上部に核生成し成膜する同じく柱状結晶組織を有す
る炭窒化チタンもテーパー状になる。結果的に炭窒化チ
タンも炭窒酸化チタンと同様に柱状結晶粒界に微細な空
隙を生じて粒界の結合力が弱くなり、耐剥離性を減じる
こととなる。

【０００６】一方、特開平2-31202号公報（特許第28761
30号）等では、柱状結晶組織の亀裂伝播を防ぐ目的で粒
状結晶と柱状結晶の混在結晶組織にして耐摩耗性を維持
しつつ耐剥離性も向上させることが提案されている。こ
の技術は、柱状結晶を生成させてから炉内圧力を上げて
過飽和状態にし、柱状粒界に粒状結晶を析出させること
で炭窒酸化チタンを柱状結晶と粒状結晶の混在結晶組織
にしている。

【０００７】しかし、先に柱状結晶組織を析出するた
め、炭窒酸化チタンの結晶がテーパー状になり、その影
響で上部の炭窒化チタンもテーパー状になり、結局優れ
た耐摩耗性を持ちうる微細柱状結晶組織の炭窒化チタン
の耐剥離性を向上させるには至らない。

【０００８】更に付け加えると、耐摩耗性と耐剥離性の
両方を兼ね備えるため粒状結晶と柱状結晶の混合組織の
炭窒化チタン層としたとしても、近年の高速切削加工条
件においては、耐摩耗性で明かに微細柱状結晶組織の炭
窒化チタンに遠く及ばない。

【０００９】また、炭窒化チタンの下層における粒状結
晶のドーム効果が炭窒化チタンの柱状結晶をテーパー状
にするというなら、硬質合金基材を平滑にして直接炭窒
化チタンを成膜するという方法もある。しかし、硬質合
金基材と炭窒化チタン膜との密着力が弱く、優れた切削
工具とはなり得ない。

【００１０】従って、本発明の主目的は、テーパー状の
柱状結晶粒間からの亀裂による炭窒化チタンの剥離を抑
制し、優れた耐剥離性能を具える被覆切削工具とその製
造方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者は上記問題点に
対し研究を重ねたところ、以下の知見を得て本発明をな
し得るに至った。

【００１２】ａ：粒状結晶の窒化チタンの上層に炭窒酸
化チタンの粒状結晶と柱状結晶が同時に析出する反応を
起こし、その炭窒酸化チタンの含有酸素濃度と膜厚が規
定範囲になるように成膜を施す。これにより、炭窒酸化
チタンの成膜反応の各過程で発生する凹部に粒状結晶が
優先的に埋まって平坦度が増すように成膜できる。

【００１３】ｂ：炭窒酸化チタン表面の平坦度が増す
と、それに伴い成膜速度の速い柱状結晶生成が優先的に
なり、同時に析出する粒状組織の結晶は、その表面がド
ーム形状となる効果を示さなくなる程微細になる。

【００１４】ｃ：平滑になった炭窒酸化チタンの上層に
核生成、成膜する炭窒化チタンは、炭窒酸化チタンの直
上に成長する柱状結晶粒界が密で粒界結合力が強く亀裂
が進展し難い組織にすることができる。

【００１５】ｄ：炭窒酸化チタンの柱状結晶が微細にな
り、混在する粒状結晶も非常に微細になることで、相対
的に上層の炭窒化チタンも微細になり、優れた耐摩耗性
を維持することが可能になる。

【００１６】即ち、本発明は、硬質合金基材と、その表
面に形成される硬質被膜とを具える被覆切削工具におい
て、前記硬質被膜が下記の構成を有することを特徴とす
る。前記基材表面に形成され、窒化チタン、炭化チタン、
炭酸化チタン、窒酸化チタン、炭窒化チタンおよび硼窒
化チタンの単層または複数層からなる第一層。第一層の直上に形成され、粒状結晶と柱状結晶の混在
結晶構造の炭窒酸化チタンで、その膜中の酸素含有濃度
が原子％の最大値で0.1％〜15％を満たし、かつ平均膜
厚が0.2以上2.0μm以下である第二層。第二層の直上に形成される柱状結晶構造の炭窒化チタ
ンである第三層。

【００１７】ここで、さらに以下の少なくとも１つの構
成を具えることが好ましい。

【００１８】(A)前記第一層の膜結晶組織が粒状組織を
有する。

【００１９】(B)前記第二層の平均膜厚が0.3μm〜1.5μ
mで、その酸素含有濃度が原子％の最大値で1％〜6％を満
たす。

【００２０】(C)前記基材の刃先稜線部付近における第
三層の結晶粒がアスペクト比6以上ある。

【００２１】(D)前記第三層の平均膜厚が2〜20μmを満
たす。

【００２２】(E)前記硬質被膜は、前記第三層の上方に
形成される1層以上からなる第四層を具える。この第四
層は、チタン化合物で化学式Ti（Cw'Nx'Oy'Bz'）{w'＋
x'＋y'＋z'＝1,0≦w',x',y',z'≦1}、酸化アルミニウ
ム、酸化ジルコニウムおよび酸化ハフニウムから選ばれ
る1種以上からなる。そして、硬質被膜全体の膜厚が平
均膜厚で2.5〜30μmである。

【００２３】(F)前記基材が超硬合金またはサーメット
である。

【００２４】(G)前記基材の刃先稜線部近傍の表面粗さ
が、基材断面から観測する方法によって測定される基準
長さ5μmに対してRmaxで0.2〜1.3μmである。

【００２５】(H)前記硬質被覆膜の刃先稜線部近傍が基
準長さ5μmに対して面粗さRmaxで0.2μm以下の滑らかな
面で実質的に構成されている。

【００２６】上記の各構成要件について詳述する。

【００２７】＜炭窒酸化チタン（第二層）における柱状
結晶と粒状結晶の同時生成＞第二層である炭窒酸化チタ
ンの柱状結晶と粒状結晶を同時に生成するには、まず、
柱状結晶構造の有機CN系ガスを用いたTiCN反応と、粒状
結晶構造を持つTiCO反応を同時に進行させる。そして、
反応過程で発生する活性なO,N原子をそれぞれ固溶反応
させることにより、柱状結晶のTiCNOと粒状結晶のTiCNO
を同時生成させる。

【００２８】TiCNO成膜過程における膜表面の凹部にそ
の粒状結晶が析出する理由は、反応ガスが成膜過程の膜
表面を移動していく際、凸部に比較的反応の速い有機CN
系ガスを用いた柱状結晶が析出し、反応ガスが凹部に到
達するころには有機CN系ガスが少なくなり粒状結晶の生
成が支配的になるためである。

【００２９】これにより、粒状結晶が凹部を埋めて膜表
面が平坦になっていく。平坦になるに従って比較的反応
の速い有機CN系ガスを用いた柱状結晶は表面形状効果を
受けなくなって優先的に生成する。同時に粒状結晶生成
は減じられ、その粒状組織は微細化していき、第一層の
ドーム形状による第二層における柱状結晶のテーパー状
成長が抑制される。

【００３０】＜炭窒酸化チタン（第二層）の含有酸素濃
度規定＞炭窒酸化チタン膜の含有酸素濃度を規定した理
由は、酸素原子％の最大値が0.1atm％未満では柱状結晶
効果が強く表れ、凹部に柱状結晶が十分析出せず、逆に
15atm％を超えると粒状結晶の析出が多くなり、上部に
成膜する柱上結晶組織のTiCN（第三層）がテーパー状に
成長するためである。より好ましい範囲は1〜6atm％で
ある。

【００３１】＜炭窒酸化チタン（第二層）の膜厚規定＞
炭窒酸化チタンの膜厚を規定した理由は、その厚みが0.
2μm未満では下層の粒状結晶の影響を受けるため炭窒酸
化チタンが十分平坦化せず、逆に2.0μmを超えるとその
炭窒酸化チタンの平坦化が飽和され、更に積層する意味
がないからである。より好ましい範囲は0.3〜1.5μmで
ある。

【００３２】＜第一層と第二層の配置＞柱状結晶と粒状
結晶の混在結晶の炭窒酸化チタン層（第二層）が、粒状
結晶層(第一層)直上に被覆されていれば、さらに硬質被
膜の基材に対する密着性を高くし、切削工具として耐剥
離性を改善することができるからである。

【００３３】＜炭窒化チタン（第三層）のアスペクト比
の規定＞まず、アスペクト比について説明する。図1に
示すように、工具の破断面で柱状結晶TiCNの膜厚Aの中
心線を基準として膜厚Aの70％の厚みDに相当する上端位
置と下端位置を求め、各位置における水平方向の上端側
粒径Bと下端側粒径Cを求める。そして、D／{(B＋C)／2}
をアスペクト比とする。アスペクト比を規定した理由
は、柱状結晶組織の炭窒化チタンの結晶粒が硬質合金基
材の刃先稜線部付近において、そのアスペクト比が6以
上あれば切削性能が上がり望ましいからである。

【００３４】＜炭窒化チタン（第三層）の平均膜厚＞炭
窒化チタンの膜厚が平均膜厚で2.0μm以下では優れた耐
摩耗性が発揮できず、逆に20μmを超えると耐剥離性が
落ちることから第三層の平均膜厚を2.0〜20μmとした。

【００３５】＜第四層の形成＞第三層の外層にチタン化
合物で化学式Ti（Cw'Nx'Oy'Bz'）{w'＋x'＋y'＋z'≦1,0
≦w',x',y',z'≦1}、酸化アルミニウム、酸化ジルコニ
ウム、酸化ハフニウムから選ばれる1種以上の単層また
は多層膜を被覆することによってより耐摩耗性が向上し
切削工具として好ましい。そして、その際の硬質被膜全
体の平均膜厚が2.0〜30μmであれば、耐摩耗性および耐
クレーター性のバランスが良くなり長期にわたり優れた
性能を発揮できる。

【００３６】＜基材材料＞基材が超硬合金もしくはサー
メットであれば優れた性能を発揮することが可能であ
る。超硬合金はWCを主体とする硬質相とCoを主体とする
結合相とからなるものが一般に用いられる。サーメット
にはTiC基、Cr₃C₂基、Al₂O₃基サーメットなどがある。

【００３７】＜基材表面粗さ＞被覆切削工具における基
材の刃先稜線部近傍の表面粗さが、基材断面から観測し
て測定される基準長さ5μmに対してRmaxで0.2〜1.3μm
であれば、更に切削性能が上がり望ましいからである。

【００３８】＜硬質被膜の表面粗さ＞被覆切削工具にお
ける硬質被覆膜の刃先稜線部近傍の面粗さが、基材断面
からしてRmaxが0.2μm以下の滑らかな面で実質的に構成
されていると、更に切削性能が上がり望ましいからであ
る。

【００３９】＜製造方法＞本発明切削工具における硬質
合金基材は、公知の焼結方法により製造することができ
る。硬質被覆は化学的蒸着法（CVD法）により形成する
ことができる。CVD法には、熱CVD法、プラズマCVD法、
光CVD法などが挙げられる。第一層、第三層、第四層
は、これらのCVD法により公知の条件にて形成すれば良
い。また、膜厚の制御は成膜時間により調整を行う。上
部が平坦で柱状結晶と粒状結晶の混在結晶構造をもつ炭
窒酸化チタン（第二層）は、特に熱CVD法により下記の
条件で形成することが好ましい。

【００４０】反応ガス組成（容量％） TiCl₄：0.4〜4.0％ CH₃CN：0.1〜2.0％ CO：1.0〜3.0％ N₂：3.0〜35％ CH₄：0.1〜0.5％ HCl：0.1〜0.5％ Ar：0.5〜10％ H₂：残り雰囲気温度：820〜880℃ 雰囲気圧力：53〜267hPa（40〜200torr）

【００４１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。（試験例１）硬質合金基材として表1に示された原料粉
末を用いて表1記載の配合組成に配合し、ボールミルで7
2時間湿式混合し乾燥した後、ISO・CNMG120408の形状に
ブレーカー形状が施された圧粉体にプレス成型し、真空
雰囲気中で表1記載の条件で焼結を行って基材を作製し
た。その後、基材表面に平面研磨、刃先ホーニングを施
し、基材の表面粗さを表4、5に示した値にブラシ研磨に
より調整した後、化学蒸着装置(熱CVD)を用いて表2、3
に示される条件で硬質被膜を形成して表4、5、6に示さ
れる被覆切削工具を得た。表4の硬質被膜は第一層〜第
三層までの３層構造を有し、表5、6の硬質被膜は第一層
〜第四層までの積層構造で、第四層を単層もしくは複層
としている。表4、6における「total平均膜厚」は、硬
質被膜全体の厚さのことである。

【００４２】

【表１】

【００４３】

【表２】

【００４４】

【表３】

【００４５】

【表４】

【００４６】

【表５】

【００４７】

【表６】

【００４８】次いで、得られた被覆切削工具における炭
窒化チタン層をSIMS（Secondary Ion Mass Spectros
copy）を用いてライン分析し、含有酸素の最大atm％を
算定した。また、その炭窒酸化チタンの組織は被覆切削
工具の膜破断面を透過型電子顕微鏡を用いて粒状結晶と
柱状結晶の混在結晶組織を確認した。アスペクト比は、
図１に示したように、D／{(B＋C)／2}により求めた。基
材の面粗さは、刃先稜線部近傍の断面において、基準長
さ5μmに対するRmaxにより求めた。

【００４９】この結果から得られた各種の被覆切削工具
について、耐摩耗試験は以下の条件1で切削試験を行っ
てフランク摩耗量を求め、耐剥離性試験は以下の条件2
で切削試験を行って欠損までの時間を求めた。それらの
結果を表4および表6に示す。

【００５０】（条件1）被削材：SCM435 丸棒切削速度：150m/min 送り：0.3mm/rev 切り込み：1.8mm 切削時間：40min 切削油：使用せず

【００５１】（条件2）被削材：SCM415 溝付き丸棒切削速度：400m/min 送り：0.3mm/rev 切り込み：1.5mm 切削油：使用せず

【００５２】表4、6から明らかなように本発明品の被覆
切削工具を用いて加工を行った場合、優れた耐摩耗性を
具えると共に、優れた耐剥離性を持つことが明かになっ
た。

【００５３】（試験例２）上記試験例1で得られたチッ
プブレーカ付き被覆切削工具のうち発明品1〜21につい
て、刃先稜線部近傍の硬質被膜を平均粒径4μmのダイヤ
モンドパウダーでラッピングして硬質被膜の表面粗さを
調整した。表面粗さは、硬質被膜の断面を観察して基準
長さ5μmに対する面粗さRmaxを測定した。そして、表面
粗さが0.2μm以下の硬質被膜と0.2μmを越える硬質被膜
に調整して前記２つの切削条件で切削試験を行った。

【００５４】その結果、切削条件1では逃げ面の摩耗幅
が20％程度減少し、切削条件2では寿命が20〜40％延び
ることが確認でき、性能向上が図れた。

【００５５】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明被覆切削工具
の製造方法によれば、炭窒酸化チタン層を粒状結晶と柱
状結晶の混在結晶構造にし、その含有酸素濃度を特定の
範囲にすることで表面が平滑な炭窒酸化チタンを造り出
すことができる。その結果、本発明被覆切削工具は、炭
窒化チタン層の柱上結晶がテーパー状ではなくより直上
に成長し、その粒界強度が増して亀裂が入り難くなり、
耐摩耗性を損なうことなく優れた耐剥離性を具えること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図1】アスペクト比の計算方法の説明図である。

【符号の説明】

1 結晶粒

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者渡部和広北海道空知郡奈井江町字奈井江776番地北海道住電精密株式会社内 (56)参考文献特開200−1198550（ＪＰ，Ａ) 特開平３−26404（ＪＰ，Ａ) 特許3282592（ＪＰ，Ｂ２) 特許2876130（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23B 27/14 C23C 16/30 C23C 16/40

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】硬質合金基材と、その表面に形成される
硬質被膜とを具える被覆切削工具において、前記硬質被膜は下記の構成を有することを特徴とする被
覆切削工具。前記基材表面に形成され、窒化チタン、炭化チタン、
炭酸化チタン、窒酸化チタン、炭窒化チタンおよび硼窒
化チタンの単層または複数層からなる第一層。第一層の直上に形成され、粒状結晶と柱状結晶の混在
結晶構造の炭窒酸化チタンで、その膜中の酸素含有濃度
が原子％の最大値で0.1％〜15％を満たし、かつ平均膜
厚が0.2以上2.0μm以下である第二層。第二層の直上に形成される柱状結晶構造の炭窒化チタ
ンである第三層。
【請求項２】前記第一層の膜結晶組織が粒状結晶組織
を有していることを特徴とする請求項1に記載の被覆切
削工具。
【請求項３】前記第二層の平均膜厚が0.3μm〜1.5μm
で、その酸素含有濃度が原子％の最大値で1％〜6％を満
たすことを特徴とする請求項1または2に記載の被覆切削
工具。
【請求項４】前記基材の刃先稜線部付近における第三
層の結晶粒がアスペクト比6以上あることを特徴とする
請求項l〜3のいずれかに記載の被覆切削工具。
【請求項５】前記第三層の平均膜厚が2〜20μmを満た
すことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の被覆
切削工具。
【請求項６】前記硬質被膜は、前記第三層の上方に形
成される単層または複数層からなる第四層を具え、この第四層は、チタン化合物で化学式Ti（Cw'Nx'Oy'B
z'）{w'＋x'＋y'＋z'＝1,0≦w',x',y',z'≦1}、酸化ア
ルミニウム、酸化ジルコニウムおよび酸化ハフニウムか
ら選ばれる1種以上からなり、硬質被膜全体の膜厚が平均膜厚で2.5〜30μmであること
を特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の被覆切削工
具。
【請求項７】前記基材が超硬合金またはサーメットで
あることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の被
覆切削工具。
【請求項８】前記基材の刃先稜線部近傍の表面粗さ
が、基材断面から観測する方法によって測定される基準
長さ5μmに対してRmaxで0.2〜1.3μmであることを特徴
とする請求項1〜7のいずれかに記載の被覆切削工具。
【請求項９】前記硬質被覆膜の刃先稜線部近傍が基準
長さ5μmに対して面粗さRmaxで0.2μm以下の滑らかな面
で実質的に構成されていることを特徴とする請求項1〜8
のいずれかに記載の被覆切削工具。
【請求項10】硬質合金基材の表面に化学的蒸着法によ
り粒状結晶構造を有する窒化チタン、炭化チタン、炭酸
化チタン、窒酸化チタン、炭窒化チタンおよび硼窒化チ
タンの1層以上からなる被膜を形成する工程と、化学蒸着法により、炭窒酸化チタンの粒状結晶と柱状結
晶が同時に析出する反応を起こし、粒状結晶と柱状結晶
の混在結晶構造の炭窒酸化チタン層を形成する工程と、化学的蒸着法により柱状結晶構造の炭窒化チタン層を形
成する工程とを含むことを特徴とする被覆切削工具の製
造方法。