JP5402507B2 - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Description

本発明は、切刃に衝撃的な負荷が断続的に作用する断続切削加工において、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を備えることにより、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮する立方晶窒化ほう素（以下、ｃＢＮで示す）基超高圧焼結材料製表面被覆切削工具（以下、ｃＢＮ被覆工具という）に関する。

従来、鋼、鋳鉄等の鉄系被削材の切削加工には、被削材との親和性の低い工具材料として、ｃＢＮ基超高圧焼結材料を用いることが知られており、耐摩耗性の向上、工具寿命の改善等の観点から、ｃＢＮ基超高圧焼結材料の表面に硬質被覆層を被覆形成したｃＢＮ被覆工具も良く知られている。
例えば、特許文献１に示すように、ｃＢＮ基超高圧焼結材料を工具基体（以下、ｃＢＮ工具基体という）とし、その表面に４ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物、酸窒化物、酸化物、Ａｌ_２Ｏ_３等の１種の単層あるいは２種以上の複層からなり、層中の残留応力が−０．２〜０．２ＧＰａ、ｃＢＮ工具基体の硬質相の残留応力が−０．５〜０ＧＰａである、高温耐塑性変形性、耐摩耗性、耐欠損性に優れたｃＢＮ被覆工具が知られている。
また、特許文献２に示すように、ｃＢＮ工具基体に４ａ、５ａ、６ａ族金属、Ａｌ及びＳｉから選ばれる少なくとも１種の金属元素の炭化物、窒化物、硼化物、酸化物等からなる硬質被覆層中に、０．１〜３ＧＰａの圧縮残留応力を存在させた耐摩耗性、耐欠損性に優れたｃＢＮ被覆工具も知られている。
また、硬質被覆層中の応力の分布については、特許文献３に示すように、ｃＢＮ工具基体表面に形成された硬質被覆層の厚さ方向に圧縮応力が変化しており、硬質被覆層の最表層で最小の圧縮応力を有し、被覆層中間点で極大の圧縮応力を示し、被覆層中間点からｃＢＮ工具基体表面までは一定の圧縮応力である応力分布を有するｃＢＮ被覆工具も知られており、このｃＢＮ被覆工具によれば、靭性、耐摩耗性、耐チッピング性が改善されることが知られている。

特開平６−３３０３２１号公報 特開２００６−２６３８５７号公報 特開２００６−３５３４５号公報

近年の切削加工装置のＦＡ化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴い、切削加工は、通常の切削条件に加えて、より厳しい条件下での切削加工がおこなわれる傾向にあるが、上記の従来被覆工具においては、通常条件下での切削加工に用いた場合には特段の問題は生じない。しかし、これを、焼入れ鋼等の高硬度鋼の高速断続切削に用いた場合には、切刃には断続的に繰り返し衝撃的な負荷が作用するが、ｃＢＮ工具基体と硬質被覆層との付着強度が十分でないため、これが原因で、チッピング、欠損を生じやすく、そのため、比較的短時間で使用寿命に至り、長期の使用に亘って、十分な耐摩耗性を発揮することができない。
したがって、長期の使用に亘って、すぐれた切削性能を発揮させるためには、ｃＢＮ工具基体と硬質被覆層の付着強度を向上させることが大きな課題となっている。

本発明者等は、ｃＢＮ基超高圧焼結材料を工具基体材料とし、硬質被覆層として、Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｌ及びＳｉから選ばれる少なくとも１種の金属元素の窒化物、炭窒化物のうちの一種の単層あるいは二種以上の複層を形成したｃＢＮ被覆工具において、ｃＢＮ工具基体と硬質被覆層間の付着強度向上を図るため鋭意研究したところ、次のような知見を得た。

まず、本発明者等は、ｃＢＮ工具基体に、例えば、ＰＶＤで硬質被覆層を蒸着形成してｃＢＮ被覆工具を作製し、これを、高速断続切削加工に供したところ、硬質被覆層内に存在する残留応力によってｃＢＮ工具基体に引張応力が働き、これが付着強度の低下を引き起こし、チッピング、欠損等を発生させる原因の一つであることを突き止めた。
そこで、ｃＢＮ工具基体と硬質被覆層それぞれの残留応力の値およびｃＢＮ工具基体の残留応力と硬質被覆層の残留応力との相関についてさらに調査したところ、ｃＢＮ工具基体と硬質被覆層の界面における両者の残留応力がそれぞれ−２ＧＰａ以下であって、かつ、両者の差の値が０．５ＧＰａ以内である場合には、ｃＢＮ工具基体と硬質被覆層間の付着強度が大きく向上することを見出したのである。
さらに、ｃＢＮ工具基体と硬質被覆層の界面における両者の残留応力をそれぞれ−２ＧＰａ以下とし、かつ、両者の差の値を０．５ＧＰａ以内とした上で、硬質被覆層中の残留応力が、硬質被覆層の表面に向かうにしたがって絶対値で次第に減少するような残留応力分布を構成すると、高速断続切削加工時の衝撃的負荷により発生した亀裂の硬質被覆層内への進展を抑制できるようになるため、より一段と、チッピング、欠損の発生を防止し得るようになることを見出したのである。
したがって、ｃＢＮ工具基体の残留応力及び硬質被覆層の残留応力を所定値以上とし、さらに、ｃＢＮ工具基体の残留応力と硬質被覆層のそれとの差を所定値以内に抑えたｃＢＮ被覆工具、あるいは、これに加えてさらに、硬質被覆層の表面に向かうにしたがって残留応力が絶対値で次第に減少するような残留応力分布を形成せしめたｃＢＮ被覆工具は、すぐれた付着強度を有することとなり、その結果として、焼入れ鋼等の高硬度被削材の高速断続切削加工において、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を発生することはなく、優れた耐摩耗性を発揮するとともに、工具寿命の延命化が図られることを見出したのである。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「（１） 立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料からなる工具基体表面に、硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具であって、
前記工具基体表面と硬質被覆層との界面における、工具基体中の残留応力の値および硬質被覆層中の残留応力の値がいずれも−２ＧＰａ以下の残留応力であって、かつ、工具基体中の残留応力と硬質被覆層中の残留応力の差の値が、０．５ＧＰａ以下であることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２） 前記硬質被覆層が、Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｌ及びＳｉから選ばれる少なくとも１種の金属元素の窒化物、炭窒化物のうちの一種の単層あるいは二種以上の複層で構成されていることを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆切削工具。
（３） 前記硬質被覆層中の残留応力の値が、硬質被覆層の表面に向かって絶対値で次第に小さくなる残留応力分布を示すことを特徴とする前記（１）または（２）に記載の表面被覆切削工具。」
を特徴とするものである。

本発明について、以下に説明する。

立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製工具基体（ｃＢＮ工具基体）：
超高圧焼結材料製工具基体中の窒化ほう素（ｃＢＮ）は、きわめて硬質で、焼結材料中で分散相を形成し、そしてこの分散相によって耐摩耗性の向上に寄与する。
ｃＢＮ工具基体中の他の構成成分、例えば、結合相等としては、周期律表ＶＩａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素の窒化物、炭化物、硼化物、酸化物ならびにこれらの固溶体からなる群の中から選択された少なくとも１種とアルミニウム化合物のセラミックス系結合材を用いることができるが、その他の成分が含有されることを何ら妨げるものではない。

ｃＢＮ工具基体の表面（即ち、硬質被覆層との界面）に所定の残留応力を形成させるためには、例えば、以下の方法を用いることができる。
通常の焼結法によってｃＢＮ工具基体を作製した後、例えば、ＰＶＤにより硬質被覆層を成膜する際の前処理として、ｃＢＮ工具基体に対してアルミナ粒子によるウエットブラスト処理を施し、その噴射圧力、時間を調整することにより、ｃＢＮ工具基体表面から最大５μｍの深さにおける残留応力の値をコントロールすることができる。

表１に、ｃＢＮ粒径が２μｍ以下であるｃＢＮ工具基体の表面にウエットブラスト処理を行った場合、ｃＢＮ工具基体表面に形成される残留応力の値の一例を示す。
表１によれば、ウエットブラストの噴射圧力を０〜０．２４ＧＰａ、噴射時間を０〜６０ｓｅｃの間で調整することによって、ｃＢＮ工具基体表面に形成される残留応力の値は、−０．２７〜−３．３８ＧＰａの範囲にコントロールできることがわかる。
ｃＢＮ工具基体表面に形成される残留応力の値は、ｃＢＮ工具基体中に含有されるＴｉＮ相について、ＸＲＤを利用した「２θ−ｓｉｎ^２ψ法」によって測定し、算出した。

硬質被覆層：
硬質被覆層としては、Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｌ及びＳｉから選ばれる少なくとも１種の金属元素の窒化物、炭窒化物のうちの一種の単層あるいは二種以上の複層から構成することができ、例えば、ＴｉＮ層、ＴｉＡｌＮ層を用いることができる。
硬質被覆層の成膜は、例えば、アークイオンプレーティング（ＡＩＰ）として知られるＰＶＤ法によって行うことができ、特に、成膜条件の内のバイアス条件の調整によって、成膜される硬質被覆層中の残留応力の値をコントロールすることができる。

表２に、ＡＩＰによって成膜したＴｉＡｌＮ層中の残留応力の値と、バイアス条件との関連を示す。
なお、ＡＩＰ成膜の条件は、
反応ガス種 ： Ｎ_２、
反応ガス圧 ：３ Ｐａ、
アーク電流値：１１０ Ａ、
ヒータ温度 ：７５０ ℃、
目標膜厚 ：２ μｍ、
である。
表２によれば、バイアス電圧を−２５〜−２００Ｖの間で調整することによって、硬質被覆層（ＴｉＡｌＮ層）中に形成される残留応力の値は、−０．９〜−４．９ＧＰａの範囲にコントロールできることがわかる。
また、硬質被覆層中の残留応力の値は、ｃＢＮ工具基体表面の残留応力測定の場合と同様、層中のＴｉＮ相について、ＸＲＤを利用した「２θ−ｓｉｎ^２ψ法」によって測定することができる。

硬質被覆層中の残留応力を、硬質被覆層の表面に向かって絶対値で次第に小さくなる残留応力分布形態とするためには、表２から明らかなように、成膜の進行とともにバイアス電圧を次第に小さくしていけば良い。
なお、層厚方向に対して残留応力の値が変化する場合には、残留応力分布の値は、Ｘ線の侵入深さを変化させることにより、層中の深さ別残留応力を測定する、通称「薄膜応力測定法」により測定することができる。

本発明では、ｃＢＮ工具基体表面と硬質被覆層との界面における、ｃＢＮ工具基体中の残留応力の値および硬質被覆層中の残留応力の値をいずれも−２ＧＰａ以下の残留応力としているが、いずれか、あるいは、両者の残留応力の値が−２ＧＰａを超える場合には、切削加工時に、硬質被覆層表面に亀裂が発生した場合、膜中へ亀裂が進展しやすくなり、チッピングが生じ易くなる。
また、ｃＢＮ工具基体中の残留応力と硬質被覆層中の残留応力の差の値が、０．５ＧＰａを超えると、切削加工時に、ｃＢＮ工具基体と硬質被覆層との界面が脆弱化して、被覆層の剥離が生じ易くなり耐チッピング性が悪化してしまう。
したがって、本発明では、ｃＢＮ工具基体表面と硬質被覆層との界面における、ｃＢＮ工具基体中の残留応力の値および硬質被覆層中の残留応力の値をいずれも−２ＧＰａ以下の残留応力と定め、また、ｃＢＮ工具基体中の残留応力と硬質被覆層中の残留応力の差の値は、０．５ＧＰａ以下と定めた。

上記のとおり、本発明の表面被覆切削工具は、ｃＢＮ工具基体と硬質被覆層との界面における、工具基体中の残留応力の値および硬質被覆層中の残留応力の値がいずれも−２ＧＰａ以下の残留応力であって、かつ、工具基体中の残留応力と硬質被覆層中の残留応力の差の値が、０．５ＧＰａ以下であることから、これを、切刃に断続的・繰り返しの衝撃的な負荷が作用する高硬度鋼の高速断続切削に用いた場合でも、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を発生することはなく、さらに、硬質被覆層中の残留応力分布を、硬質被覆層の表面に向かって絶対値で次第に小さくした場合には、より一段と優れた耐チッピング性、耐欠損性を示し、長期の使用に亘って優れた耐摩耗性を発揮するものである。

以下に、本発明の表面被覆切削工具を実施例に基づいて説明する。

原料粉末として、いずれも０．５〜４μｍの範囲内の平均粒径を有するｃＢＮ粉末、ＴｉＮ粉末、ＡｌＮ粉末、Ｎｉ粉末、Ａｌ粉末、Ｃｏ粉末、Ｗ粉末を用意し、これら原料粉末を表３に示される配合組成に配合し、ボールミルで８０時間湿式混合し、乾燥した後、１２０ＭＰａの圧力で直径：５０ｍｍ×厚さ：１．５ｍｍの寸法をもった圧粉体にプレス成形し、ついでこの圧粉体を、圧力：１Ｐａの真空雰囲気中、９００〜１３００℃の範囲内の所定温度に６０分間保持の条件で焼結して切刃片用予備焼結体とし、この予備焼結体を、別途用意した、Ｃｏ：８質量％、ＷＣ：残りの組成、並びに直径：５０ｍｍ×厚さ：２ｍｍの寸法をもったＷＣ基超硬合金製支持片と重ね合わせた状態で、通常の超高圧焼結装置に装入し、通常の条件である圧力：４ＧＰａ、温度：１２００〜１４００℃の範囲内の所定温度に保持時間：０．８時間の条件で超高圧焼結し、焼結後上下面をダイヤモンド砥石を用いて研磨し、ワイヤー放電加工装置またはダイヤモンド切断機にて一辺３ｍｍの正三角形状に分割し、さらにＣｏ：５質量％、ＴａＣ：５質量％、ＷＣ：残りの組成およびＣＩＳ規格ＳＮＧＡ１２０４１２の形状（厚さ：４．７６mm×一辺長さ：１２．７mmの正方形）をもったＷＣ基超硬合金製インサート本体のろう付け部（コーナー部）に、質量％で、Ｃｕ：２６％、Ｔｉ：５％、Ｎｉ：２．５％、Ａｇ：残りからなる組成を有するＡｇ合金のろう材を用いてろう付けし、所定寸法に外周加工した後、切刃部に幅：０．１３ｍｍ、角度：２５°のホーニング加工を施し、さらに仕上げ研摩を施すことによりＩＳＯ規格ＳＮＧＡ１２０４１２のインサート形状をもち、ｃＢＮ含有割合が３０〜６０ｗｔ％である表３に示される本発明ｃＢＮ工具基体１〜１０を製造した。

ついで、上記本発明ｃＢＮ工具基体１〜１０に対して、表４に示す噴射圧力、噴射時間にてアルミナ粒子を用いたウエットブラスト処理を施し、その後、アセトン中で超音波洗浄し乾燥した。
乾燥後の上記本発明ｃＢＮ工具基体１〜１０の表面の残留応力σｍを、ｃＢＮ工具基体中の結合相に含有されるＴｉＮ相について、ＸＲＤを利用した「２θ−ｓｉｎ^２ψ法」によって測定することにより算出した。
残留応力の値を表６に示す。

ついで、上記本発明ｃＢＮ工具基体１〜１０を、物理蒸着装置の一種であるアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）装置内に自転公転自在に支持装着し、
まず、装置内を真空排気して０．５Ｐａの真空に保持しながら、ヒーターで装置内を５００℃に加熱した後、Ａｒガスを導入し、１．５ＰａのＡｒガス雰囲気とし、ｃＢＮ工具基体１に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加して、前記ｃＢＮ工具基体をＡｒガスボンバード洗浄し、
ついで、前記装置内で、表５に示す条件（バイアス電圧、反応ガスの種類、反応ガス圧力、ターゲットの種類等）でアークイオンプレーティングを行い、所定の目標層厚、層種別の硬質被覆層を形成することにより、
ＩＳＯ規格ＳＮＧＡ１２０４１２に規定するスローアウエイチップ形状の本発明ｃＢＮ被覆工具１〜１０（本発明１〜１０という）を作製した。

上記本発明１〜１０について、ｃＢＮ工具基体表面と硬質被覆層との界面における硬質被覆層中の残留応力σｃを、Ｘ線の侵入深さを変化させることにより、層中の深さ別残留応力を測定する、通称「薄膜応力測定法」により測定した。
また、成膜中に、バイアス電圧を変化させたものについては、層厚方向の応力分布（硬質被覆層表層における残留応力σｓ）を、前記と同様に、「薄膜応力測定法」により測定した。
これらの値（但し、層厚方向の応力分布については、これに代えて、硬質被覆層表層における残留応力の値σｓ）を、表６に示す。

比較のため、実施例で使用したｃＢＮ工具基体１〜１０に、表７に示す条件でウエットブラスト処理を施し、あるいは、施さず、その後、アセトン中で超音波洗浄し乾燥し、比較例ｃＢＮ工具基体１〜１０を作製した。
乾燥後の上記比較例ｃＢＮ工具基体１〜１０の表面の残留応力σｍを、ｃＢＮ工具基体中の結合相に含有されるＴｉＮ相について、ＸＲＤを利用して「２θ−ｓｉｎ^２ψ法」によって測定し、算出した。

残留応力の値を表９に示す。

ついで、上記比較例ｃＢＮ工具基体１〜１０を、アークイオンプレーティング（ＡＩＰ）装置内に自転公転自在に支持装着し、
まず、装置内を真空排気して０．５Ｐａの真空に保持しながら、ヒーターで装置内を５００℃に加熱した後、Ａｒガスを導入し、１．５ＰａのＡｒガス雰囲気とし、ｃＢＮ工具基体１に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加して、前記ｃＢＮ工具基体をＡｒガスボンバード洗浄し、
ついで、前記装置内で、表８に示す条件（バイアス電圧、反応ガスの種類、反応ガス圧力、ターゲットの種類等）でアークイオンプレーティングを行い、所定の目標層厚、層種別の硬質被覆層を形成することにより、
ＩＳＯ規格ＳＮＧＡ１２０４１２に規定するスローアウエイチップ形状の比較例ｃＢＮ被覆工具１〜１０（比較例１〜１０という）を作製した。

上記比較例１〜１０について、ｃＢＮ工具基体表面と硬質被覆層との界面における硬質被覆層中の残留応力σｃを、Ｘ線の侵入深さを変化させることにより、層中の深さ別残留応力を測定する、通称「薄膜応力測定法」により測定した。
また、成膜中に、バイアス電圧を変化させたものについては、層厚方向の応力分布（硬質被覆層表層における残留応力σｓ）を、前記と同様に、「薄膜応力測定法」により測定した。
これらの値（但し、層厚方向の応力分布については、これに代えて、硬質被覆層表層における残留応力の値σｓ）を、表９に示す。

表６及び表９の比較から、本発明１〜１０は、いずれも、ｃＢＮ工具基体と硬質被覆層との界面における、工具基体中の残留応力の値（σｍ）および硬質被覆層中の残留応力の値（σｃ）がいずれも−２ＧＰａ以下の残留応力であって、かつ、工具基体中の残留応力と硬質被覆層中の残留応力の差の値（σｍ−σｃ）が、０．５ＧＰａ以下であり、加えて、本発明１〜１０は、硬質被覆層の表層の残留応力の値（σｓ）が、σｃより絶対値で小さくなっており、硬質被覆層の表層に向かうにしたがって、残留応力の値が絶対値で減少していることが分かる。
これに対して、比較例１〜１０では、σｍ，σｃの何れかが−２ＧＰａを超えているか、または、σｍ−σｃの値が０．５ＧＰａを超えており、いずれも本発明の規定を満たさないものであることが分かる。

上記の本発明１〜１０および比較例１〜１０を用い、以下の切削条件で切削加工試験を実施した。
《切削条件１》
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＪ２の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒（硬さ：Ｈ_ＲＡ６０）、
切削速度： １８０ ｍ／ｍｉｎ、
送り： ０．１０ ｍｍ／ｒｅｖ、
切込み： ０．１２ ｍｍ、
切削時間： １０ 分
の条件での、焼入れ軸受鋼の湿式高速断続切削加工試験（通常の切削速度は、１２０ｍ／ｍｉｎ）、
《切削条件２》
被削材：ＪＩＳ・ＳＣｒ４２０の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒（硬さ：Ｈ_ＲＡ６２）、
切削速度： ２００ ｍ／ｍｉｎ、
送り： ０．１０ ｍｍ／ｒｅｖ、
切込み： ０．１２ ｍｍ、
切削時間： １０ 分
の条件で、高硬度クロム鋼の湿式高速断続切削加工試験（通常の切削速度は、１５０ｍ／ｍｉｎ）、
を行い、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
上記切削条件１，２による切削加工試験の測定結果を表１０に示した。

表１０に示される結果から、本発明ｃＢＮ被覆工具１〜１０は、切刃に断続的・繰り返しの衝撃的な負荷が作用する高硬度鋼の高速断続切削に用いた場合でも、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を発生することはなく、長期の使用に亘って優れた耐摩耗性を示した。
これに対して、比較例ｃＢＮ被覆工具１〜１０においては、ｃＢＮ工具基体と硬質被覆層との付着強度が劣るためチッピング、欠損、剥離等を発生し、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。

上述のように、この発明のｃＢＮ被覆工具は、高硬度鋼の高速断続切削加工用の切削工具として好適であり、切削加工装置の高性能化、並びに切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に十分満足に対応できるものであるが、各種の鋼や鋳鉄などの通常の切削条件での切削加工にも勿論使用可能である。

Claims (3)

1. 立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料からなる工具基体表面に、硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具であって、
   前記工具基体表面と硬質被覆層との界面における、工具基体中の残留応力の値および硬質被覆層中の残留応力の値がいずれも−２ＧＰａ以下の残留応力であって、かつ、工具基体中の残留応力と硬質被覆層中の残留応力の差の値が、０．５ＧＰａ以下であることを特徴とする表面被覆切削工具。
2. 前記硬質被覆層が、Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｌ及びＳｉから選ばれる少なくとも１種の金属元素の窒化物、炭窒化物のうちの一種の単層あるいは二種以上の複層で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆切削工具。
3. 前記硬質被覆層中の残留応力の値が、硬質被覆層の表面に向かって絶対値で次第に小さくなる残留応力分布を示すことを特徴とする請求項１または２に記載の表面被覆切削工具。