JP5037931B2

JP5037931B2 - 表面被覆工具

Info

Publication number: JP5037931B2
Application number: JP2006347751A
Authority: JP
Inventors: ヨウセンシュ
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2006-12-25
Filing date: 2006-12-25
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2026-12-25
Also published as: JP2008156714A

Description

本発明は基体の表面に被覆層を成膜してなる表面被覆工具に関する。

現在、切削工具や耐摩部材、摺動部材といった耐摩耗性や摺動性、耐欠損性を必要とする表面被覆工具では、ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメット等の硬質材料の表面に様々な被覆層を成膜して耐摩耗性、摺動性、耐欠損性を向上させる手法が使われている。

かかる被覆層として、ＴｉＣＮ層やＴｉＡｌＮ層が一般的に広く採用されているが、より高い耐摩耗性と耐欠損性の向上を目的として種々な被覆層が開発されつつある。

例えば、特許文献１では、成膜条件を調整してＴｉＡｌＮ系の硬質被膜中に存在する膜厚以上の大きさを持った粗大粒子を低減することによって、被削材の耐溶着性や耐摩耗性が改善されることが開示されている。また、特許文献２では、ＴｉＡｌＮ系硬質膜中に膜の素地と組成の異なるＴｉＡｌＮ複合窒化物分散粒子を分散強化した複合硬質膜が記載され、素地と分散粒子が同種の結晶構造であるために特性向上のシナジー効果を発揮させることができて切削性能が向上することが開示されている。さらに、特許文献３では、ＴｉＡｌＮ系硬質被覆層を成膜した後に加熱酸化処理を施して、ＴｉＡｌＮ系の素地中にＴｉ酸化物やＡｌ酸化物等が分散分布した組織とすることによって、被覆層の耐摩耗性が向上することが開示されている。
特開２００２−３４６８１２号公報特開２００２−１２９３０６号公報特開平１０−２５１８３１号公報

しかしながら、上記特許文献１のような粗大粒子を低減した被覆層では被覆層表面の平滑性が高くなって被削材の溶着抑制や耐摩耗性向上の効果はあるものの、被覆層の耐欠損性が低くなってしまうとともに被覆層中に大きな残留応力が発生してしまい、被覆層自身が自己破壊してしまう恐れがあった。また、特許文献２や特許文献３のように、単に被覆層内を被覆層の主成分であるＴｉ系やＡｌ系の分散粒子で分散強化しただけの被覆層では、被覆層の耐欠損性は向上するものの十分でなく、また、残留応力が依然として高くて残留応力を低減する必要があった。

そこで、本発明の表面被覆工具は、上記問題を解決するためのものであり、その目的は、耐摩耗性が高く、かつ高い耐欠損性を有する表面被覆工具を提供することである。

本発明の表面被覆工具は、Ｔｉ_{１−ａ−ｂ−ｃ−ｄ}Ａｌ_ａＭ_ｂＷ _ｃＳｉ _ｄ（Ｃ_ｘＮ_１−ｘ）（ただし、金属元素ＭはＮｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｙから選ばれる１種以上であり、０．４５≦ａ≦０．５５、０．０１≦ｂ≦０．１、０．０１≦ｃ≦０．１、０．０１≦ｄ≦０．０５、０≦ｘ≦１である。）からなる被覆層が被覆され、該被覆層の表面に複数の突起部が分散しており、該突起部が、ＴｉおよびＡｌを主成分とする第１の突起部と、金属元素Ｍ、ＷまたはＳｉのいずれかを主成分とする第２の突起部とからなることを特徴とする。

また、上記構成において、前記突起部の直径分布において、２つのピークトップを有しており、小さい方である微細突起部のピークトップが０．１〜０．８μｍの範囲にあり、大きい方である粗大突起部のピークトップが１〜５μｍの範囲にあることが望ましい。

また、上記構成において、前記被覆層の表面における前記突起部の存在比率は１〜３０面積％であることが望ましい。

さらに、上記構成において、前記被覆層の表面の２５μｍ×１８μｍの領域において、前記第１の突起部が３０〜１００個、前記第２の突起部が３〜２０個の割合で存在することが望ましい。

本発明の表面被覆工具は、Ｔｉ_{１−ａ−ｂ−ｃ−ｄ}Ａｌ_ａＭ_ｂＷ _ｃＳｉ _ｄ（Ｃ_ｘＮ_１−ｘ）（ただし、金属元素Ｍは、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｙから選ばれる１種以上であり、０．４５≦ａ≦０．５５、０．０１≦ｂ≦０．１、０．０１≦ｃ≦０．１、０．０１≦ｄ≦０．０５、０≦ｘ≦１である。）からなる被覆層が被覆され、該被覆層の表面に複数の突起部が分散しており、該突起部がＴｉおよびＡｌを主成分とする第１の突起部と、金属元素Ｍ、ＷまたはＳｉのいずれかを主成分とする第２の突起部とからなることによって、被覆層内に発生する残留応力を低減する効果が高い。その結果、被覆層は自己破壊することなく耐チッピング性が良く、かつ被覆層の厚膜化も可能となる。

また、上記構成において、前記突起部の直径分布において、２つのピークトップを有しており、小さい方である微細突起部のピークトップが０．１〜０．８μｍの範囲にあり、大きい方である粗大突起部のピークトップが１〜５μｍの範囲にあることによって、より大きな被覆層の残留応力の低減効果を発揮させることができる。

また、上記構成において、前記被覆層の表面における前記突起部の存在比率は１〜３０面積％であることが、被覆層の耐欠損性を高めることができるとともに、被覆層の耐摩耗性を維持できる点で望ましい。

さらに、上記構成において、前記被覆層の表面の２５μｍ×１８μｍの領域において、前記第１の突起部が３０〜１００個、前記第２の突起部が３〜２０個の割合で存在することが、被覆層の耐欠損性を高めることができるとともに、被覆層の耐摩耗性を維持できる点で望ましい。

本発明の表面被覆工具の好適例である表面被覆切削工具の一例について説明する。

本発明の表面被覆切削工具（以下、単に工具と略す）は、すくい面と逃げ面との交差稜線が切刃である形状をなし、かつ基体の表面に被覆層を成膜された構成となっている。被覆層は、Ｔｉ_{１−ａ−ｂ−ｃ−ｄ}Ａｌ_ａＭ_ｂＷ _ｃＳｉ _ｄ（Ｃ_ｘＮ_１−ｘ）（ただし、金属元素Ｍは、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｙから選ばれる１種以上であり、０．４５≦ａ≦０．５５、０．０１≦ｂ≦０．１、０．０１≦ｃ≦０．１、０．０１≦ｄ≦０．０５、０≦ｘ≦１である。）からなる。

そして、本発明によれば、前記被覆層の表面に複数の突起部が分散しており、該突起部がＴｉおよびＡｌを主成分とする第１の突起部と、金属元素Ｍを主成分とする第２の突起部との少なくとも２種を具備することによって、少ない存在量で被覆層内に発生する残留応力を効果的に低減することができる。ここで、第１の突起部中には被覆層全体の金属元素Ｍの含有量と同じか、または少ない含有量の金属元素Ｍが含まれていてもよく、また、第２の突起部中には被覆層全体のＴｉおよびＡｌ元素のそれぞれの含有量と同じか、または少ない含有量のＴｉおよびＡｌ元素が含まれていてもよい。

上記構成によって、被覆層の内部に発生する残留応力を低減できて被覆層の厚みを厚くしても自己破壊することなく安定した成膜が可能であるとともに、被覆層の靭性が高くて耐欠損性が向上する。具体的には、上記被覆層は厚膜化しても被覆層がチッピングしにくく、被覆層の膜厚が０．５〜６μｍであっても、被覆層が剥離やチッピングすることを防止できて十分な耐摩耗性を維持することができる。

そして、被覆層の組成は、Ｔｉ_{１−ａ−ｂ−ｃ−ｄ}Ａｌ_ａＭ_ｂＷ_ｃＳｉ_ｄ（Ｃ_ｘＮ_１−ｘ）（ただし、ＭはＮｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｙから選ばれる１種以上、０．４５≦ａ≦０．５５、０．０１≦ｂ≦０．１、０．０１≦ｃ≦０．１、０．０１≦ｄ≦０．０５、０≦ｘ≦１）からなる。この組成を満たすことにより、酸化開始温度が高くなって耐酸化性が高くて切削時の耐摩耗性が向上するとともに切刃先端に発生しやすいチッピングが抑制できて耐欠損性が高いものとなる。

また、上記被覆層の非金属成分であるＣ、Ｎは切削工具に必要な硬度および靭性に優れたものであり、被覆層表面に発生するドロップレット（粗大粒子）が過度に発生するのを抑制するために、ｘ（Ｎ含有量）の特に望ましい範囲は０≦ｘ≦０．５である。ここで、本発明によれば、上記被覆層の組成は、エネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＸ）またはＸ線光電子分光分析法（ＸＰＳ）にて測定できる。

ここで、上記構成において、前記突起部の直径分布において、２つのピークトップを有しており、小さい方である微細突起部のピークトップが０．１〜０．８μｍの範囲にあり、大きい方である粗大突起部のピークトップが１〜５μｍの範囲にあることによって、被覆層の残留応力を低減させ、より大きな効果を発揮させることができる。

また、前記被覆層の表面における前記突起部の存在比率は１〜３０面積％であることが、被覆層の耐欠損性を高めることができるとともに、被覆層の耐摩耗性を維持できる点で望ましい。

さらに、前記被覆層の表面の２５μｍ×１８μｍの領域において、前記第１の突起部が３０〜１００個、前記第２の突起部が３〜２０個の割合で存在することが、被覆層の耐欠損性を高めることができるとともに、被覆層の耐摩耗性を維持できる点で望ましい。

なお、被覆層は、前記基体の表面に対して垂直な方向に成長した柱状結晶を主体として構成されることが被覆層の硬度や靭性を高めるために望ましい。そして、第１の突起部は、成膜時にターゲットから飛散したＴｉおよびＡｌを主成分とするドロップレット（粗大粒子）が被覆層の表面に付着したものと、被覆層の内部に被覆層の成分のいずれかからなるドロップレット（粗大粒子）が付着した後、該粗大粒子を起点として被覆層成分の柱状結晶が成長し、粗大粒子の上方の被覆層の表面に外側に突出した柱状（扇状）結晶によって構成されると推定される。一方、第２の突起部は、成膜時にターゲットから飛散した金属元素Ｍのドロップレットによって形成されると推定される。また、被覆層の内部にも金属元素Ｍのドロップレットは存在する場合が多い。

なお、上記構成において、柱状結晶の平均幅が０．０５〜０．５μｍであることが、被覆層の硬度および強度を高めて耐摩耗性を向上させるために望ましい。また、粗大粒子の平均粒径が０．０５〜０．２μｍであることが、被覆層の靭性を高めることができる点で望ましい。

なお、基体としては、炭化タングステンや、炭窒化チタンを主成分とする硬質相とコバルト、ニッケル等の鉄族金属を主成分とする結合相とからなる超硬合金やサーメットの他、窒化ケイ素や、酸化アルミニウムを主成分とするセラミックス、多結晶ダイヤモンドや立方晶窒化ホウ素からなる硬質相と、セラミックスや鉄族金属等の結合相とを超高圧下で焼成する超高圧焼結体等の硬質材料が好適に使用される。また、鋼や高速度鋼も使用可能である。鋼や高速度鋼も使用可能である。

（製造方法）
次に、本発明の表面被覆工具の一例である表面被覆切削工具の製造方法について説明する。

まず、工具形状の基体を従来公知の方法を用いて作製する。次に、前記基体表面に、被覆層を成膜する。被覆層の成膜方法として、物理蒸着（ＰＶＤ）法のうちのイオンプレーティング法を用いる。成膜方法の一例についての詳細について説明する。

ターゲットとしては、ＴｉおよびＡｌを主成分とする第１ターゲットと、金属元素Ｍを含有する第２ターゲットとの２種類のターゲットを用いて、イオンプレーティング法によって被覆層を成膜することによって、上述した柱状結晶中に第１の突起部と第２の突起部の２種類の突起部が分散した被覆層を作製することができる。また、被覆層の成膜条件については、窒素に対するアルゴンガス流量が１：９〜４：６の割合の窒素（Ｎ_２）ガスとアルゴン（Ａｒ）ガスの混合ガスを用いて被覆層を成膜するが、被覆層を成膜するためのメインターゲットである第１ターゲットと、金属元素Ｍを含有する第２ターゲットを用いて、第１ターゲットに直流電源を、第２ターゲットにパルス電源をそれぞれ印加することにより、上述した本発明の被覆層を具備する表面被覆工具が得られる。

なお、上記被覆層を成膜する際には、被覆層の結晶構造および配向性を制御して高硬度な被覆層を作製できるとともに基体との密着性を高めるためにバイアス電圧３０〜２００Ｖを印加することが好ましい。

平均粒径０．５μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末に対して、金属コバルト（Ｃｏ）粉末を１０質量％、炭化バナジウム（ＶＣ）粉末と炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）粉末を合計で１質量％の割合で添加、混合し、エンドミル形状に成型して焼成した。そして、研削工程を経た後、アルカリ、酸、蒸留水の順によって表面を洗浄して、外径１６ｍｍの４枚刃エンドミル基体を作製した。

そして、表１に示すターゲットを装着した各種方式の装置内に上記基体をセットし５５０℃に加熱した後、各ターゲットに表１に示すバイアス電圧を印加して表１の条件で被覆
層を成膜した。なお、成膜条件は窒素ガスとアルゴンガスの混合ガスを総圧力４Ｐａの雰囲気中、第１ターゲットのアーク電流を直流で１５０Ａとし、第２ターゲットのパルス電流は被覆層が所定の組成になるように８０〜１５０Ａの範囲で調整して被覆層の組成を制御した。なお、バイアス電圧は５０Ｖ、加熱温度は５５０℃とした。

得られたエンドミルの被覆層の表面について、キーエンス社製走査型電子顕微鏡（VE8800）を用いて倍率５００倍（２５μｍ×１８μｍの領域）にて観察を行い、同装置に付随のＥＤＡＸアナライザ（AMETEK EDAX-VE9800）を用いて加速電圧１５ｋＶにてエネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＥＤＸ）法の一種であるＺＡＦ法により被覆層および突起部の組成の定量分析を行った。また、この方法で測定できなかった元素については、ＰＨＩ社製Ｘ線光電子分光分析装置（Quantum2000）を用い、Ｘ線源はモノクロＡｌＫ（２００μｍ、
３５Ｗ、１５ｋＶ）を測定領域約２００μｍに照射して測定を行った。突起部についてはそれぞれ組成を分析して第１の突起部と第２の突起部に分類し、存在個数を数えた。結果は表２に示した。

さらに、被覆層の表面における突起部の直径をそれぞれ測定し、その直径の分布を測定した。そして、その直径分布が２つのピークを持つ場合には、そのピークトップの直径を小さいほうを微細突起部、大きいほうを粗大突起部として表２に記載した。

次に、得られた硬質被膜被覆エンドミルを用いて以下の切削条件にて切削試験を行った。結果は表３に記載した。

切削方法：ダウンカット
被削材：ＳＣＭ４４０
切削速度：７５ｍ／ｍｉｎ
送り：０．０４ｍｍ／刃
切り込み：切り込み深さｄ＝１８ｍｍ×横切込みｗ＝１．６ｍｍ
切削状態：湿式
評価方法：９０分間切削後のチッピングの有無、逃げ面摩耗幅測定

表１〜３より、突起部が存在していないＮｏ．１２では、切刃にチッピングが発生して早期に欠損に至った。また、１種類の突起部が分散して存在しているＮｏ．１１でも、切刃にチッピングが発生して早期に欠損に至った。さらに、２種類の突起部が分散して存在しているものの、突起部がいずれもＴｉを主成分とする試料Ｎｏ．９でもチッピングが発生した。

これに対し、２種類の突起部が分散しており、この突起部がＴｉおよびＡｌを主成分とする第１の突起部と、金属元素Ｍを主成分とする第２の突起部とからなる試料Ｎｏ．１〜８、１０、１３では、耐欠損性が向上して切削性能に優れたものであった。そして、被覆層が、Ｔｉ _{１−ａ−ｂ−ｃ−ｄ} Ａｌ _ａＭ _ｂＷ _ｃＳｉ _ｄ（Ｃ _ｘＮ _１−ｘ）（ただし、ＭはＮｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｙから選ばれる１種以上であり、０．４５≦ａ≦０．５５、０．０１≦ｂ≦０．１、０．０１≦ｃ≦０．１、０．０１≦ｄ≦０．０５、０≦ｘ≦１である。）の組成領域を満たし、突起部が、ＴｉおよびＡｌを主成分とする第１の突起部と、金属元素Ｍ、ＷまたはＳｉのいずれかを主成分とする第２の突起部とからなる試料Ｎｏ．８、１３は、耐欠損性および切削性能にさらに優れたものであることがわかった。

Claims

基体の表面に、Ｔｉ_{１−ａ−ｂ−ｃ−ｄ}Ａｌ_ａＭ_ｂＷ _ｃＳｉ _ｄ（Ｃ_ｘＮ_１−ｘ）（ただし、金属元素Ｍは、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｙから選ばれる１種以上であり、０．４５≦ａ≦０．５５、０．０１≦ｂ≦０．１、０．０１≦ｃ≦０．１、０．０１≦ｄ≦０．０５、０≦ｘ≦１である。）からなる被覆層が被覆され、該被覆層の表面に複数の突起部が分散しており、該突起部が、ＴｉおよびＡｌを主成分とする第１の突起部と、金属元素Ｍ、ＷまたはＳｉのいずれかを主成分とする第２の突起部とからなることを特徴とする表面被覆工具。
前記突起部の直径分布において、２つのピークトップを有しており、小さい方である微細突起部のピークトップが０．１〜０．８μｍの範囲にあり、大きい方である粗大突起部のピークトップが１〜５μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１記載の表面被覆工具。
前記被覆層の表面における前記突起部の存在比率は１〜３０面積％であることを特徴とする請求項１または２記載の表面被覆工具。
前記被覆層の表面の２５μｍ×１８μｍの領域において、前記第１の突起部が３０〜１００個、前記第２の突起部が３〜２０個の割合で存在することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の表面被覆工具。