JP7384620B2 - 硬質被膜を備えた切削工具 - Google Patents
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Description
このような切削工具として、特許文献1に記載されたものが知られている。この被覆切削工具は、図7に示すように、切削工具の超硬合金製の基材100の表面にTiAlCrの窒化物(TiAlCrN)であるSi非含有被膜からなる第一層101が被覆され、その表面にTiSiの窒化物(TiSiN)を主体とするSi含有被膜の第二層102が被覆されている。更に第二層102の表面に、TiAlCrNからなる第三層103を被覆した三層構造の硬質被膜104を有している。
本発明によれば、基材の表面に積層した多重積層層として、薄層のTiSiNの第一膜とTiAlCrNの第二膜とを交互に複数回積層することで柱状結晶の成長が抑制され、結晶のサイズが小さくなる。第一膜の上側の第二膜はそもそも微細な結晶構造の第一膜に倣って結晶サイズが小さくなるうえ、表面方向に向かって進展する結晶の成長を第二膜の上側の第一膜によって抑制する。この繰り返しの結果として柱状結晶が微細化され、且つ高硬度な多重積層層を形成できる。しかも、多重積層層の上側に被覆されたTiSiNの第二層も多重積層層に倣ってエピタキシャル成長が促進され、結晶が微細化されて高硬度になる。第一層の多重積層層と第二層からなる硬質被膜の結晶が微細化されることで切削工具の切れ刃の切れ味が向上し且つ耐久性が向上する。
第二層のTiSiNの結晶が微細化されて高硬度化することでチッピングを生じ易くなるが、第三層のTiAlCr含有窒化物は靭性が高いため第二層のチッピングを防いで耐欠損性と耐久性を向上させる。
第一膜及び第二膜を交互に複数層積層させることで、これらの膜とその上の第二層について結晶の微細化と高硬度化を促進できる。
これにより、多重積層層の第一膜と第二膜の結晶の微細化と高硬度化を促進できる。
また、前記第一膜と前記第二膜の交互積層により前記第二膜の結晶単位サイズが前記第一膜の結晶単位サイズに倣って微細化され、前記第二層が前記第一層に対するエキピタキシャル成長膜であることが好ましい。
また、前記第一膜の硬さが前記第二膜の硬さより大きく、前記第三層の膜厚が前記第二層の膜厚より小さく、前記第三層の靭性が前記第二層の靭性より高いことが好ましい。
なお、多重積層層の膜厚をT1 、第二層の膜厚をT2としたとき、第一層の膜厚と第二層の膜厚の比率T2/T1は、0.2≦T2/T1≦10 .0 とし、かつ第一層と第二層の合計膜厚(T1+T2)は6μm以下であることが好ましい。
本発明の実施形態において、図1に示すように、工具として例えばボールエンドミル等の切削工具を用いて切削工具の切刃部となる基材1の上に硬質被膜2を被覆したものである。切削工具の基材1の表面には硬質被膜2として、複数種類の薄層の第一膜7と第二膜8を交互に被覆した第一層としての多重積層層3と、第一膜7及び第二膜8より膜厚の大きい第二層4と第三層5とを積層して被覆形成している。
第一膜7の上の第二膜8のTiALCrNは下側のTiSiNの結晶サイズに倣うため、結晶が小さくなる。これも薄層の段階で次のTiSiNの第一膜7を被覆させることで、第一膜7と第二膜8を薄い膜厚で順次積層させて多重積層層3を形成できる。
この場合、多重積層層3全体の膜厚は例えば0.3μm~4.0μmの範囲、好ましくは0.5μm~3.0μmの範囲とされている。なお、第一膜7と第二膜8は異なる厚さに形成したが、同一厚さでもよい。TiSiNは元来細かい結晶であるため、その結晶をTiAlCrNとの間に交互に挟むことでTiAlCrNが大きな結晶になることを抑制できる。
第二層4のTiSiNの上に積層される第三層5としてのTiAlCrNは例えば第二層4よりも膜厚が小さく形成され、靭性が高い。第二層4のTiSiNが微細結晶化され硬度が上がることで切削加工時に欠損し易いという特性を生じるが、その上に被覆された第三層5のTiAlCrNは靭性が高いため、切刃の欠損を抑制できる。
実施形態による成膜装置は例えば物理蒸着法(PVD)を用いるアーク放電装置10によって行われる。アーク放電装置10の容器11内にはテーブル12が回転可能に配設され、テーブル12上の180°対向する位置に第一治具13と第二治具14を自転可能に配設している。第一治具13と第二治具14上にはそれぞれ基材1A、1Bが設置されている。なお、一方の治具だけを設けて基材1を固定してもよい。
また、テーブル12の外側で180°対向する位置の一方には第一ターゲット15として蒸発させる金属TiSiが設置され、他方の位置には第二ターゲット16として蒸発させる金属TiAlCrが設置され、各ターゲットと干渉しない位置に基材1A 、基材1Bを加熱するためのヒーターが設置されている。しかも、容器11は真空ポンプPに接続されて容器11内を真空引きする。また、容器11内には複数のガスを供給できる。
容器11が真空ポンプPにより大気圧から真空引きされた後、ヒーターで基材1A、基材1Bを加熱し、さらに、基材1A、基材1Bにバイアス電圧を印加したうえでアルゴンイオンまたはターゲット由来の金属イオンによって基材1A、基材1Bのクリーニングを行う。
そして、基材1Aが例えば第一ターゲット15の金属TiSiの近傍に回動する位置で、蒸発源である第一ターゲット15の金属TiSiと基材1Aの間で電圧をかけて蒸発した金属をイオン化し、バイアス電圧が印加された基材1Aの表面に付着させて第一膜7を基材1A上に形成する。
この場合、第一治具13及び第二治具14と第一ターゲット15及び第二ターゲット16はそれぞれ180度対向する位置に設けられたため、第一ターゲット15及び第二ターゲット16に同時に放電して各金属イオンを蒸発させて基材1A、1Bにそれぞれ付着させている。しかし、第一治具13及び第二治具14と第一ターゲット15及び第二ターゲット16を180度と異なる適宜角度に設置して、第一ターゲット15及び第二ターゲット16を別個のタイミングで個別に放電してもよい。
その際、第一膜7と第二膜8はそれぞれ平均膜厚10~60nm、好ましくは10~30nmの薄層で積層されるため結晶サイズが小さくなり高硬度になる。この作業を繰り返すことで、テーブル12の半回転毎に2種類の基材1A、1Bの表面に複数の第一膜7と第二膜8が交互に複数回積層されて適宜の複数層の多重積層層3が形成される。
次いで、第二ターゲット16のTiAlCrのみに電圧をかけて金属イオンを蒸発させ、回転するテーブル12上の基材1A、1Bにおける第二層4の上に0.2μm~0.8μm程度の膜厚を有する第三層5のTiAlCrNを被覆させる。こうして、基材1A、1B上にそれぞれ三層の硬質被膜2を積層することができる。
しかも、多重積層層3と第二層4の合計膜厚(T1+T2)は6μm 以下であることが好ましい。(T1+T2)が6μmを超えると内部応力による自壊とともに早期の剥離が生じ耐久性が低下する。
図3(a)は硬質被膜2における多重積層層3の上部と第二層4のTiSiNの境界付近の元素を示す。図3(b)は多重積層層3の中央部の元素を示し、図3(c)は多重積層層3の下部と基材1との境界付近の元素を示す。
図4(a)は実施例における多重積層層3の断面画像、同図(b)は図7に示す従来の硬質被膜における第一層101のTiAlCrNの断面画像である。
実施例における第一膜7及び第二層4のTiaSibNの金属成分の成分比a,bは原子比(at%)で以下の通りであり、第二層4のTicAldCre、第三層のTifAlgCrhは原子比(at%)で以下の通りである。
a=0.78、b=22
c=0.16、d=0.57、e=0.27
f=0.16、g=0.57、h=0.27
j=0.16、k=0.57、l=0.27
m=0.78、n=0.22
o=0.16、p=0.57、q=0.27
また、図5(a)は実施例における第二層4のTiSiN層を示す断面画像であり、同図(b)は図7に示す従来例における第二層102のTiSiN層を示す断面画像である。図5(a)、(b)の断面画像においてコントラストで示す白と黒の境界が結晶の1単位を示すものであり、実施例の柱状結晶単位t1が従来例の柱状結晶単位t2の1/2程度のサイズになっていることを認識できる。
試験結果によれば、多重積層層3及び第二層4における各柱状結晶単位t1の平均値は柱状結晶の長手成長方向に直交する幅方向において例えば30nm等、100nm以下に微細化できる。
第1のワークは、高性能粉末ハイス(日立金属工具鋼株式会社製 商品名HAR40)であり、その硬度はロックウェル硬さで64HRCである。第2のワークは、SKD11系ダイス鋼(大同特殊鋼株式会社製 商品名DC53)であり、その硬度はロックウェル硬さで60HRCである。
第2のワークを実施形態のボールエンドミルと従来例のボールエンドミルで5時間加工した後の切刃の状態が示されている。図中、実施形態では切刃と逃げ面に小さな摩耗がみられるにすぎず欠損は見受けられない。一方、従来例では切刃と逃げ面の摩耗が大きく一部に欠損がみられる。
また、第二層4の上にTiAlCrNの第三層5を被覆したため、硬度が高くなってチッピングを生じ易い第二層4に対して靭性の高い第三層5の結晶が結合されてチッピングを抑制できる。この点でも耐摩耗性と耐欠損性を向上できる。
次に本発明の他の実施形態や変形例について説明するが、上述した実施形態の部分や部品と同一または同様なものについては同一の符号を用いて説明を行うものとする。
また、多重積層層3の第一膜7や第二層4についてSi含有窒化物であればよく、Tiに代えて、またはTiを含んで別の元素を用いてもよい。また、多重積層層3の第二膜8や第三層5についてAlCr含有窒化物であってSi非含有窒化物であればよく、この場合もTiを含まず、またはTiを含んで別の元素を用いてもよい。
また、上述した実施形態では切削工具の実施例としてボールエンドミルを用いて切削加工したが、本発明における硬質被膜2を備えた切削工具はボールエンドミルに限られない。例えばドリル等のその他の転削工具やバイト等の旋削工具等にも適用できることはいうまでもない。
2 硬質被膜
3 多重積層層
4 第二層
5 第三層
7 第一膜
8 第二膜
10 アーク放電装置
12 テーブル
15 第一ターゲット
16 第二ターゲット
Claims (5)
- 基材と、
前記基材の表面に積層されていて薄層のTiSiNからなる平均膜厚10nm~60nmの第一膜とTiAlCrNからなる平均膜厚10nm~60nmの第二膜とを交互に複数層積層した膜厚0.3μm~4.0μmの多重積層層である第一層と、
前記多重積層層の表面に積層されていて前記第一膜及び第二膜より膜厚の大きい膜厚0.5~4.0μmのTiSiNの第二層と、
を備えたことを特徴とする硬質被膜を備えた切削工具。 - 前記第二層の表面にTiAlCr含有窒化物の第三層が積層されている請求項1に記載された硬質被膜を備えた切削工具。
- 前記第一膜と前記第二膜の交互積層により前記第二膜の結晶単位サイズが前記第一膜の結晶単位サイズに倣って微細化され、前記第二層が前記第一層に対するエキピタキシャル成長膜である請求項1または2に記載された硬質被膜を備えた切削工具。
- 前記第一膜の硬さが前記第二膜の硬さより大きく、前記第三層の膜厚が前記第二層の膜厚より小さく、前記第三層の靭性が前記第二層の靭性より高い、請求項2または請求項2を引用する請求項3のいずれかに記載された硬質被膜を備えた切削工具。
- 前記多重積層層の膜厚をT1、前記第二層の膜厚をT2としたとき、前記第一層の膜厚と前記第二層の膜厚の比率T2/T1は、0.2≦T2/T1≦10.0、かつ前記第一層と前記第二層の合計膜厚(T1+T2)は6μm以下である請求項1から4のいずれか1項に記載された硬質被膜を備えた切削工具。
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