WO2005099945A1 - 表面被覆切削工具 - Google Patents

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WO2005099945A1
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coated cutting
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Yoshio Okada
Naoya Omori
Haruyo Fukui
Junya Okida
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Sumitomo Electric Hardmetal Corp.
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Definitions

  • the present invention relates to a cutting tool such as a throw-away tip and a drill having a coating layer on a substrate surface.
  • the present invention relates to a surface coating cutting tool having excellent lubricity and suitable for cutting steel materials.
  • end mills used for shoulder machining, face milling and grooving of various metal materials, and drilling are generally used.
  • Drills and the like used for power kneading are known. These end mills and drills have a portion called a body having a blade portion, and a portion called a shank mounted on a drive device.
  • the body is a so-called solid type body in which a blade portion and a support portion that supports the blade portion and has a groove portion that allows chips to flow out are formed on the body. The blade portion is brazed to the support portion.
  • brazing type and a slot-and-way type in which the blade is detachable from the support.
  • the solid type uses a body made of high-speed tool steel or cemented carbide
  • the brazing type uses a high-speed tool steel to cut the blades made of hard material such as cemented carbide. A body brazed to the formed support is used.
  • Ceramic coating technology which forms a coating layer that also has ceramic power on the surface of the tool base material, has become an indispensable technology for cutting tools.
  • titanium carbide (TiC), titanium nitride (TiN), and titanium carbonitride (Ti (C, N)) are used as materials for forming the coating layer of cutting tools used for high-speed and high-efficiency machining such as high-speed and high-feed.
  • Patent Literature 1 discloses a throw-away chip having a coating layer that defines an orientation index of X-ray diffraction, and uses this chip for high-speed and high-feeding, such as high-speed and high-feed.
  • Such ceramic coating The winging technology is also becoming common in solid type and brazing type tools that are frequently used in end mills and drills that use only a throwaway insert.
  • the cutting tool has improved its surface hardness and heat resistance, etc., and has responded to the demand for high-speed and high-efficiency power cutters such as high speed and high feed.
  • high-speed and high-efficiency machining described above, recently, attention has been paid to a mist machining method in which the amount of cutting oil is extremely reduced to protect the global environment, or a dry machining method that does not use cutting oil.
  • Throw-away chips see Patent Documents 2 and 3 that have a coating layer with excellent welding resistance and a coating layer with a chip-slip function for these processing methods, and a CrN film with lubricity
  • a drill see Patent Literature 4
  • cutting tools having a coating layer made of beguinous aluminum nitride to improve properties such as heat dissipation have been proposed (see Patent Documents 5 to 12).
  • Patent Document 1 JP-A-11-124672
  • Patent Document 2 JP-A-10-158861
  • Patent Document 3 JP 2003-225808 A
  • Patent Document 4 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-275911
  • Patent Document 5 Japanese Patent Publication No. 59-27382
  • Patent Document 6 Patent No. 2861113
  • Patent Document 7 JP-A-2002-273607
  • Patent Document 8 JP-A-2002-263933
  • Patent Document 9 JP-A-2002-263941
  • Patent Document 10 JP-A-2003-19604
  • Patent Document 11 JP-A-2003-25112
  • Patent Document 12 Japanese Patent Publication No. 59-27302
  • the lubrication function is insufficient particularly in mist processing and cutting oil, especially in dry processing, and the tool life is shortened. Therefore, it is desired to improve the lubricity and prolong the tool life.
  • end mills In drills and drills chips flow out through the grooves formed in the body, so it is important that they have excellent lubricity to enhance chip outflow.
  • excellent lubricity is desired.
  • a main object of the present invention is to provide a surface-coated cutting tool having a longer tool life by improving lubricity.
  • the present invention specifies the composition of the outermost layer that imparts lubricity to the outermost layer that first comes into contact with the work material during cutting, contains a specific element, and has abrasion resistance and chipping resistance.
  • the above object is achieved by defining the yarn composition of the inner layer of the begu for improving the performance.
  • the present invention is a surface-coated cutting tool having a coating layer on a substrate surface, wherein the coating layer includes an inner layer formed on the substrate, and an inner layer formed on the inner layer. It consists of an outer layer, and the outermost layer and the inner layer satisfy the following.
  • the present inventors have proposed a cutting tool in which the use environment of the cutting tool is severe, for example, in the case of a throwaway insert used for turning or the like, for example, dry machining without cutting oil or intermittent cutting.
  • tool life can be extended even under conditions such as mist processing, dry processing, deep hole drilling, and cutting of high welding material.
  • the inventors studied diligently the interrelationship between the coating layers. As a result, it was found that it is effective to extend the life of the tool by using a coating film with excellent lubricity as the outermost layer and forming the inner layer with a film of a specific composition.
  • nitrided aluminum containing a specific amount of chlorine as described above -By making the outermost layer a film that also has a strong force lubrication can be imparted even in cutting processes such as dry machining, intermittent cutting, and deep hole drilling, and as a result, welding resistance is improved. This can prevent the peeling of the coating layer.
  • a throw-away insert used for turning, etc. 1.By having excellent lubricity, the cutting resistance applied to the tool is reduced, and by forming the inner layer with a film of a specific composition, It can also improve fracture resistance and wear resistance. 2.
  • a film that also has a nitrided aluminum force has thermal stability and lubricity in the first place.
  • the temperature of the cutting edge in the case of a sloughaway tip is likely to be high, such as in a dry force die, a high-speed high-feed processing, and the like.
  • a protective coating is easily formed on the tool surface.
  • this protective coating made it possible to enhance lubricity and improve the welding resistance of the tool.
  • a tool excellent in both lubricity and abrasion resistance which hardly impairs the abrasion resistance, can be considered.
  • a specific amount of chlorine is contained in such a film of nitrided aluminum so that the cutting surface and the tool surface of the cutting part and the groove part, specifically, the chip and the chip are not affected. It is thought that the coefficient of friction between them is reduced.
  • the outermost layer contains a specific amount of chlorine to reduce the wear coefficient.In addition, it protects the tool surface in dry machining and deep hole drilling where the cutting edge is likely to be hot and high pressure. It is considered that the coating was easily formed, and that the protective coating made it possible to enhance the lubricity of the tool and improve the welding resistance of the tool. Furthermore, it is considered that by forming the inner layer with a film having a specific composition power, a tool excellent in both lubricity and wear resistance without impairing wear resistance could be obtained.
  • the present invention will be described in more detail.
  • the outermost layer that first comes into contact with the work material is made of an aluminum compound such as aluminum nitride or aluminum carbonitride.
  • chlorine is contained in the film which also has a nitrided aluminum force.
  • the outermost layer contains more than 0 and 0.5 atomic% or less of chlorine.
  • a protective film can be formed in a high-temperature cutting environment, and lubricity can be improved. If the chlorine content exceeds 0.5 atomic%, the film forming the outermost layer is easily peeled off. If no chlorine is contained, the protective film is not formed as described above.
  • a particularly preferred chlorine content is 0.07 atomic% or more and 0.3 atomic% or less.
  • a thermal CVD method As a method of including more than 0 and 0.5 atomic% or less of chlorine in the outermost layer, a thermal CVD method, a plasma CVD method, and a chemical vapor deposition (CVD) method are used to form the nitrided aluminum film.
  • a chlorine-containing gas for example, hydrogen chloride (HC1) as a reaction gas.
  • the content of hydrogen chloride is set to be more than 0 and less than 5.0% by volume, particularly 1.0% by volume or less, based on 100% by volume of the whole reaction gas.
  • PVD method physical vapor deposition method
  • arc ion plating method or a magnetron sputtering method a physical vapor deposition method
  • a magnetron sputtering method a physical vapor deposition method
  • chlorine ions must be implanted by ion implantation after the film is formed. Is mentioned.
  • the amount of chlorine in the outermost layer may be adjusted by appropriately adjusting the injection amount!
  • the outermost layer may further contain oxygen. That is, the outermost layer is made of aluminum nitride, aluminum nitridation aluminum which can be formed only by aluminum carbonitride, and aluminum carbonitridation aluminum. It is good also as a film which becomes. By containing oxygen, a protective film can be more easily formed.
  • the thickness of such an outermost layer is not more than 1/2 of the total thickness of the inner layer described later.
  • the coating layer can have a well-balanced lubricating function such as a function of forming a protective film and abrasion resistance. If it is more than 1/2, the outermost layer becomes thicker, and the entire coating layer is excellent in lubricity but easily wears, which may shorten the tool life.
  • the thickness of the outermost layer is preferably 0.03 ⁇ m or more. ⁇ m or less is preferred. If it is less than 0.03 ⁇ m, sufficient lubricating function cannot be obtained.
  • the outermost layer becomes thicker than the inner layer as described above, and the abrasion resistance tends to decrease.
  • the film thickness can be measured, for example, by cutting a cutting tool such as a tip or a drill provided with a coating layer and observing the cross section using an SEM (scanning electron microscope).
  • the surface roughness of a portion in contact with the work material near the edge of the cutting edge was measured with respect to a reference length of 5 ⁇ m when measured by a method of observing from a cutting tool cross section. It is preferable that Rmax is 1.3 m or less.
  • the present inventors have examined that when the surface roughness Rmax of the contact portion in the outermost layer exceeds 1.3 m and becomes rough, welding of the work material is likely to occur and the lubrication effect is exerted. It turned out to be.
  • the substrate is cut, the cross section is wrapped, and the surface roughness is observed with a metallographic microscope or an electron microscope.
  • Rmax Surface roughness
  • the surface roughness can be controlled to some extent by the film forming conditions. For example, as the film formation temperature is increased, the crystal structure becomes coarser, so that the surface roughness of the film surface becomes coarser. In order to reduce the surface roughness, it is necessary to lower the film forming temperature. In this way, especially after film formation, a force that can be set to Rmax of 1.3 ⁇ m or less without any special treatment after completion of film formation After film formation, for example, puffs, brushes, barrels, elastic munitions, etc. It is also possible to change the surface roughness by performing polishing by blasting or performing surface modification by microblasting, shot peening or ion beam irradiation.
  • the inner layer comprises one or more first elements selected from the periodic table IVa, Va, Via group metal, Al, Si, and B, and one or more second elements selected from B, C, N, and 0.
  • the compound composed of elements also has the power (however, when the first element is only B, the second element is not B).
  • films made of Ti-containing compounds such as TiCN, TiN, TiBN, TiCNO, Al 0 and ZrO
  • a film having the oxidizing property of 23.2 is preferable because of excellent abrasion resistance.
  • TiN is preferably used as the innermost layer because of its high adhesion to the substrate.
  • Such an inner layer may be a single film or a plurality of films. When the inner layer is composed of a plurality of films, the composition and the structure of each film may be different.
  • the inner layer may be formed by a deviation from a CVD method such as a thermal CVD method or a plasma CVD method, or a PVD method such as an arc ion plating method or a magnetron sputtering method. It may be formed under known conditions.
  • the inner layer is provided with a Ti-tie compound film, so that it has more excellent wear resistance.
  • a film that also has a TiCN force is preferable, and among them, a film that also has a TiCN force having a columnar structure is preferably provided. Furthermore, it has a columnar structure with an aspect ratio of 3 or more, and each orientation index (orientation intensity coefficient) of the (220), (311), and (422) planes of the crystal.
  • TC (220), TC (311) The film made of TiCN, in which the deviation takes the maximum value of the orientation index of TC (422), is more preferable.
  • an organic carbonitride such as CH 3 CN, which can easily obtain a columnar structure, is used as a raw material gas at a reaction atmosphere temperature (800 ° C. or higher).
  • a method of increasing the film formation rate, increasing the film formation temperature, or increasing the concentration of the source gas may be used.
  • the aspect ratio it is possible to reduce the average grain size of the crystal (preferably 0.05 m to 1.5 m) and grow a film structure having a columnar structure. The method Then, a method of appropriately changing the film forming conditions (film forming temperature, film forming pressure, gas composition, gas flow rate, gas flow rate, etc.) of the TiCN film can be mentioned.
  • a method of appropriately changing the surface state of the base material immediately below or below the TiCN film or the surface state of the coating film immediately below or below the TiCN film can also be used.
  • the film forming conditions are set on the substrate with the surface roughness Rmax (reference length 5 ⁇ m) controlled to 0.05 ⁇ 00 1 m or more and 1.5 ⁇ m or less.
  • the TI JiCN film may be formed with appropriate changes.
  • the TiCN film is formed on this film by appropriately changing the film forming conditions while controlling the surface roughness of a certain film, the chemical state of the particles, and the particle size (particularly, 0.01 ⁇ m to 1.0 m). May be formed.
  • the aspect ratio may be measured, for example, as follows. That is, the cross section of the coating layer is mirror-finished, and the grain boundaries of the structure of the film made of TiCN having a columnar structure are etched.
  • the width of each crystal in the horizontal direction with respect to the base material is defined as a particle size at a location corresponding to a half of the film thickness of the TiCN film, and the average value is obtained by measuring the particle size of each crystal (average value). Is the average particle size). It is preferable to calculate the ratio of the average particle size to the film thickness by dividing the film thickness by the obtained average particle size, and to use the calculated value as the aspect ratio.
  • the TiCN film having the specific aspect ratio has a specific crystal orientation in the crystal plane as described above.
  • the orientation index TC is defined as follows.
  • Average value of powder diffraction intensity (hkl) of carbide of the metal and nitride of the metal (111), (200), (220), (311), (331), (420), (422), (422) 511) 8 sides
  • the film forming conditions film forming temperature, film forming pressure, gas composition, The flow rate of the gas, the flow rate of the gas, etc.
  • the surface state of the base material immediately below or below the TiCN film, or the surface of the film immediately below or below the TiCN film For example, a method of appropriately changing the state may be used, for example, by making the surface of the base material have a surface roughness.
  • the TiCN film may be formed on the base material with the Rmax (reference length 5 ⁇ m) controlled to be 0.05 ⁇ m or more and 1.5 ⁇ m or less by appropriately changing the film formation conditions.
  • the TiCN film may be formed on this film by appropriately changing the film forming conditions while controlling the surface roughness, the chemical state of the particles, the particle diameter, and the like.
  • the diffraction intensity is preferably measured at a flat portion (smooth portion) of the substrate in a cross section of the substrate so as to prevent reflection or the like due to unevenness of the substrate.
  • the identification of the X-ray diffraction intensity for carbonitrides of metals from Group IVa, Va, and Via groups in the Periodic Table IVa is not described in the JCPDS file (Powder Diffraction File Published by PD and International for enter for Diffraction Data).
  • the diffraction intensity of the film made of the carbon nitride, TiCN was identified by the diffraction data of the titanium carbide (Ti), the diffraction data of the nitride, and the measured diffraction data of the carbon nitride of TiCN. It is recommended to compare the data, estimate each surface index, and measure the diffraction intensity of that surface index.
  • the inner layer is formed of a plurality of films
  • at least one of the films is a TiCN film having the specified aspect ratio and the like
  • the other films are compound films of the first and second elements. Is also good. That is, the inner layer may be composed of the TiCN film and the compound film.
  • the compound film may be a film having a different composition from the TiCN film or a TiCN film having a different structure or orientation from the TiCN film.
  • the TiCN film may be a single film or a plurality of TiCN films. Either the compound film or the TiCN film may be on the substrate side. That is, the TiCN film, the compound film, and the outermost layer may be formed in this order from the substrate side, or the compound film, the TiCN film, and the outermost layer may be formed in order from the substrate side.
  • the entire coating layer including the outermost layer and the inner layer has a thickness of 0.1 ⁇ m or more and 30.0 m or less. If the thickness of the entire coating layer is less than 0.1 m, it is difficult to obtain the effect of improving the wear resistance. When the thickness is more than 30.0 m, the wear resistance can be improved by increasing the thickness of the coating layer.However, since the hardness is high, chipping is apt to occur, and the chipping tends to increase the service life, making stable machining difficult. easy.
  • the entire coating layer including the outermost layer and the inner layer has a thickness of 0.1 ⁇ m or more and 24 m or less. If the thickness of the entire coating layer is less than 0.1 ⁇ m, the abrasion resistance tends to be impaired. If it is longer than 24 m, the coating layer Although wear resistance can be improved by this, peeling resistance ⁇ breakage resistance is impaired, and chipping frequently occurs, and stable processing tends to be difficult.
  • the outermost layer has a lower film hardness than at least one film constituting the inner layer. That is, the inner layer preferably includes a film having a higher film hardness than the outermost layer. Since the outermost layer has a low film hardness, it is possible to prevent defects caused when the tool bites into the work material in the initial stage of cutting, and defects due to interrupted cutting, thereby enabling stable machining.
  • the film hardness can be changed not only by changing the film composition but also by changing the structure of the film depending on the film forming conditions. When the film composition is the same, the finer the microstructure of the film, the higher the film hardness tends to be.
  • the hardness of each film is preferably measured on a cross section of a cutting tool such as a tip or a drill having a coating layer.
  • the coating layer covers at least a part involved in cutting the surface of the base material.
  • the entire surface of the substrate may be coated.
  • the parts involved in cutting include a cutting edge ridge, a rake face, and a flank.
  • the part involved in cutting includes a part generally called a body including a blade part and a support part.
  • FIG. 1 (A) is a front view schematically showing an end mill
  • FIG. 1 (B) is a front view schematically showing a drill.
  • the parts involved in cutting are, as shown in Fig.
  • a coating layer may be provided from the body 4 in which the groove is formed from the end face formed only by the body, to a portion called a shank 5 mounted on the driving device.
  • the portions involved in cutting include the surface of the tip 6 involved in actual cutting and the groove (flute portion) 7 with which chips are in contact.
  • the tip and groove are formed by the body 8 alone!
  • a coating layer may be provided from the body 8 to the shank 9 mounted on the driving device. It is preferable to appropriately mask the portion where the coating layer is not provided when forming the film, or to remove the film by polishing or the like after forming the film once.
  • the ridge of the cutting edge may be subjected to a surface treatment such as a polishing treatment or a laser treatment as in the related art.
  • the cutting tool of the present invention does not significantly impair the properties of the coating layer due to such surface treatment.
  • the base material in particular, at least a portion of the base material involved in cutting is made of WC-based cemented carbide, cermet, high-speed steel, ceramics, cubic boron nitride sintered body, and silicon nitride sintered body. It is preferred to use one composed of any of the bodies.
  • the cutting tool of the present invention is a drill or an end mill
  • at least a part of the substrate that is involved in cutting is made of any one of a WC-based cemented carbide, a cermet, a high-speed steel, and a cubic boron nitride sintered body. It is preferable to use one composed of the above.
  • 8 phase in which the hard phase other than WC has disappeared, the binder-enriched layer rich in the binder phase due to the disappearance of the hard phase, and the binder phase are reduced.
  • the effect of the present invention can be recognized even when a surface-modified layer such as a hardened surface layer is present on the surface of a substrate or the surface of a portion of a substrate involved in cutting.
  • various cutting tools such as a drill, an end mill, a replaceable insert for milling, a replaceable insert for turning, a metal saw, a tooth cutting tool, a reamer, and a tap can be selected.
  • the present invention can be suitably used as any of a throwaway tip, a drill, and an end mill.
  • the drill and end mill are of the so-called solid type, in which the blade and the support are sintered or formed on a solid body, instead of the throw-away type (blade replacement type) in which the blade is removable from the support.
  • it is an end mill or a drill of a brazing type for brazing a blade portion to a support portion.
  • the above-mentioned coating layer is preferably formed by a PVD method having a relatively low film forming temperature.
  • the formation of the coating layer may be a PVD method or a CVD method having a relatively high film forming temperature.
  • the lubricating property is excellent, and the abrasion resistance, peeling resistance, chipping resistance, and breakage resistance are provided. Also excellent. Therefore, it is excellent even in the use environment where cutting conditions are severe such as dry processing, deep hole drilling, processing of highly weldable work material, and other processing where the cutting edge is exposed to high temperature such as high-speed and high-efficiency processing. Cutting performance and prolong the life of the tool.
  • the lubricating property and the abrasion resistance are both excellent, and even in the severe use environment as described above, it is excellent. Cutting performance and prolong the life of the tool.
  • Composition WC 86 weight 0/0, Co: 8.0 mass 0/0, TiC: 2.0 mass 0/0, NbC: 2.0 mass 0/0, ZrC: 2.0 blended material powder is mass%, a ball mill After being wet-mixed for 72 hours and dried, the mixture was press-molded into a compact having a shaping force. This green compact was sintered in a sintering furnace at 1420 ° C. for 1 hour in a vacuum atmosphere to obtain a sintered body. The edge of the obtained sintered body was subjected to a SiC brush horn treatment and chamfering, thereby obtaining a base material of a throw-away insert having a WC-based cemented carbide having the strength of ISO SNMG120408.
  • a coating layer was formed on the surface of the substrate by using a thermal CVD method, which is a chemical vapor deposition method.
  • TiN (0.5), TiCN (6), TiBN (0.5), and ⁇ -Al ⁇ (2) were formed as inner layers in order from the substrate side.
  • Table 1 An example of the film forming conditions of each film. The composition of the gas (% by volume), the pressure during film formation (kPa), and the film formation temperature (° C) are shown. The film thickness was adjusted according to the film formation time, and the A1N film forming the outermost layer was Samples having different chlorine contents were prepared by changing the film forming conditions as shown in Table 1. Table 2 shows the chlorine content of the outermost layer. Samples containing less than 0.5 at.% Chlorine, those containing more than 0.5 at.% Chlorine, and those not containing chlorine were produced.
  • the film forming pressure and the film forming temperature were appropriately changed by changing the ratio of the hydrogen chloride (HC1), and the amount of the hydrogen chloride was changed.
  • the surface roughness of the sample in contact with the work material near the edge of the cutting edge of the outermost layer was examined for a sample containing chlorine of more than 0 and 0.5 atomic% or less.
  • the Rmax force was 1.3 ⁇ m or less for the measured reference length of 5 ⁇ m.Specifically, for example, it was 0.6 ⁇ m for sample 1-2.
  • the same hard metal substrate as that used in Test Example 1-1 was prepared, and the film forming conditions (gas composition, pressure, and temperature) shown in Table 1 were obtained on the obtained substrate surface by using the thermal CVD method.
  • Table 5 Shows the composition and thickness of the coating layer and the thickness of the entire coating layer (total thickness).
  • the direction of the force closer to the base is also referred to as the first film, the second film, and so on.
  • Feed: f 0.2mm / rev.
  • the outermost layer is preferably 0.03 m or more, and the total film thickness is preferably 0.1 Pm or more and 30 m or less. Further, it is clear that the outermost layer is preferably 1/2 or less of the total thickness of the inner layer.
  • the coating layer was formed such that the film hardness of the outermost layer was higher than the film hardness of the inner layer. Formed.
  • the film hardness of the outermost layer was found for all chips except for sample 2-22.
  • the film hardness of the outermost layer was higher than the film hardness of the inner layer. Therefore, it is considered that the cutting performance of Sample 2-22 was lower than that of Samples 2-1 to 2-12.
  • Feed: f 0.3mm / rev.
  • each sample 2-4,2-5,2-6 is, 0.45 mm 2, 0.39 mm 2, was 0.44 mm 2.
  • a coating layer having the same composition as that of Samples 2-2 and 2-13 in Table 5 was formed by a known PVD method in place of the base material below, to produce a surface-coated chip.
  • a surface-coated chip containing chlorine in the outermost layer was produced by ion implantation. Using these surface-coated tips, a cutting test was performed under the same cutting conditions as in Test Example G2. In the sample in which the coating layer of Sample 2-2 was formed, the content of chlorine in the outermost layer was set at 0.2 atomic%.
  • any chips with a coating layer of the composition of Sample 2-2 Tool life is twice as long as conventional inserts with a coating layer
  • Composition WC 86 weight 0/0, Co: 8.0 mass 0/0, TiC: 2.0 mass 0/0, NbC: 2.0 mass 0/0, ZrC: 2.0 blended material powder is mass%, a ball mill After being wet-mixed for 72 hours and dried, the mixture was press-molded into a compact having a shaping force. This green compact was sintered in a sintering furnace at 1420 ° C. for 1 hour in a vacuum atmosphere to obtain a sintered body. The edge of the obtained sintered body was subjected to a SiC brush horn treatment and chamfering, thereby obtaining a base material of a throw-away insert having a WC-based cemented carbide having the strength of ISO SNMG120408.
  • a coating layer was formed on the surface of the substrate by using a thermal CVD method which is a chemical vapor deposition method.
  • a thermal CVD method which is a chemical vapor deposition method.
  • Table 6 shows an example of film forming conditions for each film. Specifically, it shows the composition of the reaction gas (% by volume), the pressure during film formation (kPa), and the film formation temperature (° C). The film thickness was adjusted by the film formation time. In this test, the TiCN film was formed such that it had a columnar structure with an aspect ratio of 4.2 and the (311) plane of the orientation index TC became the maximum value. Specifically, using CH CN as the reaction gas,
  • the chlorine content was changed by changing the ratio of hydrogen chloride (HC1) in the reaction gas. Further, the pressure during film formation and the film formation temperature were appropriately changed depending on the amount of hydrogen chloride. Furthermore, when the outermost layer contained more than 0 and 0.5 atomic% or less of chlorine, the surface roughness of the portion in contact with the work material near the cutting edge of the outermost layer was examined.
  • the Rmax force was i.3 ⁇ m or less for the standard length of 5 ⁇ m measured by the method of observing from the cross section. Specifically, for example, it was 0.6 m in sample 3-2.
  • the chlorine content is Confirmation of the force composition measured by XPS * (X-ray Photoelectron Spectroscopy) can be performed by analyzing the micro area EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) attached to the transmission electron microscope, SIMS (3 ⁇ 4econdary Ion Mass Spectroscopy). That's it.
  • XPS * X-ray Photoelectron Spectroscopy
  • Chlorine content is more than 0 and 0.5 atom. /.
  • samples 3-1 to 3-3 having an aluminum nitride film containing more than 0 and at most 0.5 atomic% of chlorine as the outermost layer were dry-processed. However, it can be seen that it exhibits excellent lubricity, improves welding resistance, and has excellent cutting resistance by reducing cutting resistance. In addition, it is understood that these samples 3-1 to 3-3 also have excellent wear resistance by providing a specific TiCN film as the inner layer. Further, Samples 3-1 to 3-3 did not have chipping or the like, and were excellent in chipping resistance and chipping resistance. From these facts, it can be seen that Samples 3-1 to 3-3 achieve a longer tool life with a longer machining time.
  • the value in parentheses is the film thickness (unit: m)).
  • the film thickness was adjusted by the film formation time.
  • the columnar texture TiCN film in this test changed the pressure and film formation temperature during film formation, and changed the surface roughness and gas conditions of the TiN film formed under the TiCN film.
  • the plane having the maximum value of the aspect ratio and the orientation index was changed.
  • CH CN is used as the reaction gas, for example, at a gas temperature of 920 ° C and a pressure of 6 kPa.
  • the aspect ratio of the TiCN film was set to 3 or more. Also, for example
  • the surface roughness Rmax (reference length 5 ⁇ m) of the substrate is controlled to 0.09 ⁇ m, and the outer surface (base) of the substrate is controlled. This is obtained by forming a TiCN film while controlling the peak ratio.
  • the surface roughness of the part in contact with the work material near the edge line of the outermost layer is 0.4 ⁇ m in Rmax against the reference length of 5 ⁇ m measured by observing from the tool cross section. After forming the outermost layer in all the samples, the surface of the outermost layer was polished so that Table 10 shows the surface of the TiCN film where the texture, aspect ratio, and orientation index TC show the maximum values.
  • Feed: f 0.2mm / rev.
  • Feed: f 0.2mm / rev.
  • the outermost layer is preferably at least 0.03 m, and the total thickness is preferably at least 0.1 ⁇ m and at most 30 m. Furthermore, it is clear that the outermost layer is preferably 1/2 or less of the total thickness of the inner layer.
  • Feed: f 0.3mm / rev.
  • samples 5-1 to 5-12, 5-16 to 5-19, and 5-21 showed less crater wear than the other samples.
  • each sample 5-4,5-5,5-6 is, 0.3 mm 2, 0.27 mm 2, was 0.29 mm 2.
  • a coating layer having the same composition as that of sample 5-2 in Table 11 was formed by a known PVD method, and then a surface-coated chip containing chlorine in the outermost layer by ion implantation. And a cutting test was performed under the same cutting conditions as in Test Example 1-6. In each case, the content of chlorine in the outermost layer was 0.18 atomic%.
  • Table 12 shows an example of the film formation conditions for each film. Specifically, the composition of the reaction gas (% by volume) , The pressure during film formation (kPa) and the film formation temperature (° C) The film thickness was adjusted by the film formation time, and the A1N film forming the outermost layer was formed as shown in Table 12. Samples with different chlorine contents were prepared by changing the conditions.Table 13 shows the chlorine content of the outermost layer.Specifically, the outermost layer contains more than 0 and less than 0.5 atomic% chlorine. And chlorine-free gas containing more than 0.5 atomic% of chlorine, and the chlorine content of the reaction gas was as shown in Table 12.
  • the pressure at the time of film formation and the film formation temperature were appropriately changed according to the amount of hydrogen chloride, and more than 0 and at most 0.5 atom% in the outermost layer.
  • the reference length was measured by the method of observing the tool cross-sectional force. It was less than 13 ⁇ 41 & 0.3 ⁇ m for 5 ⁇ ! ⁇ Specifically, for example, it was 0.6 Atm for sample 6-2, and the chlorine content was XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy).
  • the composition can be confirmed by using a micro area EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) force, ⁇ ⁇ , and SIMS (Seconaary Ion Mass Spectrometry) attached to the transmission electron microscope.
  • EDX Electronic Dispersive X-ray Spectroscopy
  • ⁇ ⁇ ⁇
  • SIMS Secondary Ion Mass Spectrometry
  • Table 16 shows the composition and thickness of the coating layer and the total thickness of the coating layer (total thickness). You. In Table 16, the first film, the second film, and so on are referred to in order from the one closer to the base material.
  • the outermost layer is preferably 0.03 m or more, and the total film thickness is preferably 0.1 ⁇ m or more and 24 m or less. Furthermore, it is clear that the outermost layer is preferably 1/2 or less of the total thickness of the inner layer.
  • the flank wear was 65 ⁇ m. This is considered to be due to the fact that the unevenness of the portion in contact with the work material near the edge of the cutting edge was reduced, and the cutting resistance was reduced.
  • the force was 0.9 m at Rmax. The flank wear was reduced to 35 m after the cutting, which was significantly improved.
  • the coating layer was formed such that the film hardness of the outermost layer was higher than the film hardness of the inner layer.
  • the hardness of each film constituting the coating layer was measured for Samples 7-1 to 7-20, 7-22, and 7-23, and the film hardness of the outermost layer was measured for all end mills except Sample 7-23. Was lower than at least one film in the inner layer, but in Samples 7-23, the film hardness of the outermost layer was higher than the film hardness of the inner layer. For this reason, it is probable that Sample 7-23 had reduced cutting performance.
  • a surface-coated end mill similar to the above samples 7-1 to 7-23 was prepared, and a cutting test was performed under the following cutting conditions to measure the crater wear (width) at a predetermined cutting length (50 m).
  • the measurement object was the width of crater wear on the outer edge. Since the end mill has a three-dimensional tool shape, the width was measured obliquely. Specifically, the crater wear width was measured by observing from a certain angle. The evaluation was performed by a relative comparison between samples based on the measured values.
  • Feed: f 0.05mm / t
  • samples 7-1 to 7-12, 7-16 to 7-19, 1-1, and 7-23 exerted less crater wear than other samples.
  • samples 7-3 and 7-6 were 0.44 and 0.52, respectively.
  • a coating layer having the same composition as that of Samples 7-2 and 7-13 in Table 16 was formed by a known PVD method by changing the base material as follows, and a surface-coated end mill was manufactured.
  • a surface coating end mill containing chlorine in the outermost layer was prepared by an ion implantation method. Side machining was performed under the same cutting conditions as in -2. In each case, the coating layer was formed at a site involved in cutting.
  • the chlorine content of the outermost layer was set to 0.2 atomic%. It was.
  • the numerical value in parentheses is the film thickness (unit / zm).
  • Table 17 shows an example of the film forming conditions of each film. Specifically, the composition of the reaction gas (% by volume) , Pressure during film formation (kPa), and film formation temperature (° C) The film thickness was adjusted by the film formation time, and in this test, the TiCN film had a columnar structure with an aspect ratio of 4.1. The film was formed such that the (311) plane of the orientation index TC became the maximum value.
  • TiN film deposition conditions gas composition, pressure, temperature
  • Rmax reference length 5 m
  • Table 17 samples having different chlorine contents were prepared for the A1N film forming the outermost layer by changing the film forming conditions.
  • Table 18 shows the chlorine content of the outermost layer. More specifically, the outermost layer contained chlorine of more than 0 and less than 0.5 at%, chlorine of more than 0.5 at%, and chlorine-free material. As shown in Table 17, the chlorine content was changed by changing the ratio of hydrogen chloride (HC1) in the reaction gas.
  • the pressure during film formation and the film formation temperature were appropriately changed depending on the amount of hydrogen chloride.
  • the outermost layer contained more than 0 and 0.5 atomic% or less of chlorine, the surface roughness of the part in contact with the work material near the edge of the cutting edge of the outermost layer was examined. According to the method of observation from The Rmax force was 1.3 ⁇ m or less with respect to the reference length 5 ⁇ m measured. Specifically, for example, it was 0.6 ⁇ m in sample 8-2.
  • the chlorine content was measured by XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy).
  • samples 8-1 to 8-3 which have an aluminum nitride film containing chlorine of more than 0 and 0.5 atomic% or less as the outermost layer and a specific TiCN film as the inner layer, Is small It can be seen that, even in the case of dry processing, excellent lubrication is exhibited, and wear resistance and chipping resistance are improved by reducing cutting resistance.
  • these samples 8-1 to 8-3 were provided with a coating layer having excellent lubricating properties, so that the outflow of chips was good. It was improved and could be processed without any problems.
  • Samples 8-4 and 8-5 the torque value increased, and breakage occurred when moving to grooving.
  • these samples 8-1 to 8-3 were also excellent in welding resistance and did not cause peeling of the coating layer. From these facts, it can be understood that Samples 8-1 to 8-3 can prolong the tool life.
  • the film thickness was adjusted by the film formation time. As shown in the figure, the maximum value of the aspect ratio and the orientation index can be changed by changing the pressure and temperature during the film formation and changing the surface roughness and gas conditions of the film formed under the TiCN film. Specifically, CH CN was used as the reaction gas, the gas temperature was 920 ° C, and the pressure was 6 kPa.
  • the aspect ratio of the TiCN film was 3 or more.
  • the surface roughness Rmax reference length 5 ⁇ m
  • the TiCN film was obtained while controlling the aspect ratio on the outside of the film (away from the substrate).
  • the surface roughness at the point of contact with the work material near the cutting edge of the outermost layer is set so that the Rmax force is ⁇ m for the reference length of 5 ⁇ m measured by observing from the tool cross section. After forming the outermost layer in all samples, the surface of the outermost layer was polished.
  • Table 21 shows the surface of the TiCN film where the structure morphology, aspect ratio, and orientation index TC show the maximum values.
  • the same material as the cemented carbide end mill substrate used in Test Example 2-4 was prepared, and the film formation conditions (gas composition, pressure, Temperature) to form a coating layer.
  • the columnar structure TiCN film had an aspect ratio of 3 or more, The film forming conditions were controlled so that any one of the orientation indices TC (311), TC (220), and TC (422) had the maximum value.
  • Table 22 shows the composition and thickness of the coating layer and the total thickness of the coating layer (total thickness). In Table 22, the first film, the second film, and so on are arranged in order from the one closer to the base material.
  • the outermost layer is preferably 0.03 m or more, and the overall film thickness is preferably 0.1 Pm or more and 24 m or less. Furthermore, it is clear that the outermost layer is preferably 1/2 or less of the total thickness of the inner layer.
  • a surface-coated end mill similar to the above samples 10-1 to 10-21 was produced, and a cutting test was performed under the following cutting conditions, and the crater wear amount (width) of the outer peripheral edge at a predetermined cutting length (50 m) was measured.
  • the measurement of the crater wear width was performed in the same manner as the cutting test (Test Example 2-2 ') using the surface-coated end mill of Samples 7-1 to 7-23.
  • Feed: f 0.05mm / t
  • the samples 10-1 to 10-12, 10-16 to 10-19, and 10-21 exerted less crater wear than the other samples.
  • the wear width of Sample 7-14 in Test Example 2-2 'is 1 Samples 10-3 and 10-6 were 0.39 and 0.42, respectively.
  • a coating layer having the same composition as that of Samples 10-2 and 10-13 in Table 22 was formed by a known PVD method in place of the base material described below, to produce a surface-coated end mill.
  • an end mill provided with a coating layer having the same composition as that of Sample 10-2
  • a surface coating end mill containing chlorine in the outermost layer was prepared by ion implantation, and Test Example 2- Side machining was performed under the same cutting conditions as in 6.
  • the coating layer was formed at a site involved in cutting.
  • the chlorine content of the outermost layer was set to 0.2 atomic%.
  • the value in parentheses is the film thickness (unit / zm).
  • the film thickness was adjusted by the film formation time.
  • the film formation conditions were set as shown in Table 12. Samples with different chlorine contents were prepared by changing the values.Table 23 shows the chlorine content of the outermost layer, specifically, those containing more than 0 and 0.5 atomic% or less of chlorine in the outermost layer. Samples containing more than 0.5 atomic% of chlorine and those not containing chlorine were prepared by changing the ratio of chlorine gas (HC1) in the reaction gas as shown in Table 12.
  • samples 12-1 to 12-12, 12-16 each of which contained a nitrided aluminum film containing a specific amount of chlorine as an outermost layer and an inner layer made of a film having a specific composition. 12-19, 12-22, and 12-23 have excellent lubricity and excellent abrasion resistance as compared with the other samples.
  • the outermost layer is preferably 0.03 m or more, and the overall film thickness is preferably 0.1 Pm or more and 24 m or less. Furthermore, it is clear that the outermost layer is preferably 1/2 or less of the total thickness of the inner layer.
  • the coating layer was formed such that the film hardness of the outermost layer was higher than the film hardness of the inner layer.
  • the outermost film was formed with all drills except the sample 12-23.
  • the film hardness of the outermost layer was higher than that of the inner layer. Therefore, it is considered that the cutting performance of Sample 12-23 was lower than that of Samples 12-1 to 12-12.
  • Feed: f 0.25mm / rev.
  • Cutting oil Mist (water-soluble cutting fluid)
  • Samples 12-1 to 12-12, 12-16 to 12-19, 12-22, and 12-23 showed less crater wear than the other samples. For example, if the wear width of sample 12-14 is 1, samples 12-3 and 12-9 were 0.32 and 0.38, respectively. (Test Example 3-2 ”)
  • a sample having a nitrided aluminum film containing a specific amount of chlorine as an outermost layer and an inner layer made of a film having a specific composition had excellent lubricity and abrasion resistance, and had a long life.
  • a coating layer having the same composition as that of Samples 7-2 and 7-13 in Table 16 was formed by a known PVD method in place of the base material described below, to produce a surface-coated drill.
  • a surface-coated drill containing chlorine in the outermost layer was prepared by ion implantation, and Test Example 3 was used. Drilling (blind hole) was performed under the same cutting conditions (dry processing) as in -2. In each case, the coating layer was formed at a site involved in cutting. In addition, the content of chlorine in the outermost layer of the sample 7-2 in which the coating layer was formed was 0.2 atomic%.
  • the surface-coated drill with the coating layer of Sample 7-2 has excellent lubrication and abrasion resistance, compared to the conventional drill with the coating layer of Sample 7-13. It was confirmed that a tool life of three times or more was obtained.
  • A1N (1.5) was formed (the value in parentheses is the film thickness (unit: zm).
  • the film thickness was adjusted by the film formation time.
  • the TiCN film had an aspect ratio of 4.2.
  • the film was formed such that it had a columnar structure and the (311) plane of the orientation index TC became the maximum value.
  • CHCN was used as the reaction gas, temperature: 900 ° C, pressure: 8 kPa and formed under the TiCN film.
  • the TiN film deposition conditions were adjusted so that the surface roughness Rmax (reference length 5 ⁇ m) of the TiN film was about 0.1 ⁇ m.
  • Conditions gas composition, pressure, temperature
  • Table 17 shows the chlorine content of the outermost layer.
  • the outermost layer was made with chlorine containing more than 0 and less than 0.5 atomic%, chlorine with more than 0.5 atomic%, and chlorine-free.
  • the chlorine content was changed by changing the ratio of hydrogen chloride (HC1) in the reaction gas as shown in Table 17.
  • the pressure during film formation and the film formation temperature were appropriately changed depending on the amount of hydrogen chloride.
  • the surface roughness of the sample that contained more than 0 and 0.5 atomic% or less of chlorine in the outermost layer was examined in the vicinity of the cutting edge of the outermost layer, where the surface was in contact with the work material.
  • Rmax was 1.3 ⁇ m or less for the standard length of 5 m measured by the method of observing from the tool cross section. Specifically, for example, it was 0.6 ⁇ m in sample 13-2.
  • the chlorine content was measured by XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy).
  • the value in parentheses is the film thickness (unit: zm).
  • the film thickness was adjusted by the film formation time. As shown in Fig. 17, the maximum value of the aspect ratio and the orientation index can be obtained by changing the pressure and temperature during film formation and changing the surface roughness and gas conditions of the TiN film formed under the TiCN film. Specifically, CH CN was used as the reaction gas, the gas temperature was 920 ° C, and the pressure was 6 kPa.
  • the aspect ratio of the TiCN film was 3 or more.
  • the surface roughness Rmax (reference length) of the base material is controlled to 0.09 ⁇ m, and the outer surface of the base material ( The side away from the substrate was obtained by forming a TiCN film while controlling the aspect ratio.
  • All samples were prepared so that the surface roughness at the point of contact with the work material near the edge line of the outer layer was Rmax m for the standard length 5 ⁇ m measured by the method of observing from the tool cross section. After forming the outermost layer, the surface of the outermost layer was polished. Table 30 shows the surface where the structure morphology, aspect ratio, and orientation index TC of the TiCN film show the maximum value.
  • Work material Work material: S50C
  • Feed: f 0.2mm / rev.
  • Cutting oil Mist (water-soluble cutting fluid)
  • samples 14-1 to 14-3 with a columnar structure TiCN film in which the inner layer has an aspect ratio of 3 or more and any one of the orientation indices TC (311), TC (220), and TC (422) take the maximum value Indicates that the tool has excellent wear resistance and breakage resistance, and the tool life is prolonged. The prolonged tool life is thought to be due to the provision of the outermost layer, which has excellent lubricity, and the specific TiCN film, which has particularly excellent wear resistance, as the inner layer.
  • the columnar structure TiCN film had an aspect ratio of 3 or more and one of the orientation indices TC (311), TC (220), and TC (422) had the maximum value.
  • the film forming conditions were controlled as described above.
  • the outermost layer is preferably 0.03 m or more, and the overall film thickness is preferably 0.1 Pm or more and 24 m or less. Furthermore, it is clear that the outermost layer is preferably 1/2 or less of the total thickness of the inner layer.
  • a surface-coated drill similar to the above samples 15-1 to 15-21 was prepared, and a cutting test was performed under the following cutting conditions, and the crater wear amount (width) near the center of the cutting edge at a predetermined number of holes (500 holes). was measured. The measurement of the crater wear width was performed in the same manner as in the cutting test (Test Example 3-2 ') using the surface-coated drill of Samples 12-1 to 12-23.
  • Feed: f 0.25mm / rev.
  • Cutting oil Mist (water-soluble cutting fluid)
  • samples 15-1 to 15-12, 15-16 to 15-19, and 15-21 exerted less crater wear than the other samples.
  • the wear width of Sample 12-14 of Test Example 3-2 'is 1 Samples 15-3 and 15-9 were 0.29 and 0.35, respectively.
  • a drill similar to the force samples 15-1 to 15-21 performed on the dry kneader was prepared.
  • a nitrided aluminum film containing a specific amount of chlorine was used as the outermost layer, and a columnar shape with an aspect ratio of 3 or more and one of the orientation indices TC (311), TC (220), and TC (422) was the maximum.
  • the sample having the TiCN film of the structure in the inner layer was excellent in lubricity and abrasion resistance and had a long life.
  • a coating layer having the same composition as that of the samples 10-2 and 10-13 in Table 22 was formed by a known PVD method by changing the base material as follows, and a surface-coated drill was manufactured.
  • a surface coating drill containing chlorine in the outermost layer was prepared using an ion implantation method, and Test Example 3- Drilling (blind hole) was performed under the same cutting conditions (dry processing) as in 6.
  • the coating layer was formed at a site involved in cutting.
  • the chlorine content of the outermost layer was set to 0.2 atomic%.
  • the surface-coated drill with the coating layer of Sample 10-2 has excellent lubrication and abrasion resistance, and is compared with the conventional drill with the coating layer of Sample 10-13. It was confirmed that a tool life of three times or more was obtained.
  • the surface-coated cutting tool of the present invention can be used for dry machining, mist machining, intermittent cutting, etc. without using cutting oil, machining where the cutting edge becomes hot, deep drilling force, high welding Suitable for machining and severe cutting conditions. Further, the surface-coated cutting tool of the present invention is suitable for cutting steel materials or the like under conditions where welding is likely to occur.
  • FIG. 1 (A) is a front view schematically showing an end mill, and (B) is a front view schematically showing a drill. [0153] 1 Bottom edge 2 Outer edge 3,7 Groove 4,8 Body 5,9 Shank 6 Tip

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Abstract

　ドライ加工、ミスト加工などといった使用環境下であっても、優れた潤滑性を有して使用寿命が長い表面被覆切削工具を提供する。本発明表面被覆切削工具は、基材表面に最外層と内層とからなる被覆層を具える。内層は、周期律表IVa、Va、VIa族金属、Al、Si、Bの化合物からなる。最外層は、窒化アルミニウム又は炭窒化アルミニウムからなり、最外層中に塩素を0超0.5原子％以下含有する。熱的安定性と潤滑性とを有している窒化系アルミニウムからなる膜に更に特定量の塩素を含有することで、切削時、工具表面に保護被膜を形成し易くなる。この保護被膜により、潤滑性を高めることができる。

Description

明 細 書
表面被覆切削工具
技術分野
[0001] 本発明は、基材表面に被覆層を具えるスローァウェイチップやドリルなどの切削ェ 具に関するものである。特に、潤滑性に優れ、鋼材などの切削に好適な表面被覆切 削工具に関するものである。
背景技術
[0002] 切削工具として、旋削加工やフライスカ卩ェなどに用いられるスローァウェイチップの 他、一般に、各種金属材料の肩削り加工、面削り加工、溝削り加工に用いられるェン ドミルや、穴あけ力卩ェに用いられるドリルなどが知られている。これらエンドミルやドリ ルは、刃部を有するボディと呼ばれる部位と、駆動装置に装着されるシャンクと呼ば れる部位とを具える。ボディは、刃部と、刃部を支持すると共に切屑の流出を行う溝 部が形成された支持部とがー体に形成された、いわゆるソリッドタイプのもの、支持部 に刃部をロウ付けしたロウ付けタイプのもの、支持部に対して刃部が着脱自在なスロ 一アウエイタイプのものがある。従来、ソリッドタイプでは、高速度工具鋼や超硬合金 にて形成したボディが用いられており、ロウ付けタイプでは、超硬合金などの硬質材 料にて形成した刃部を高速度工具鋼で形成した支持部にロウ付けしたボディが用い られている。
[0003] 近年、切削加工の高能率化、高精度化の要求を満たすために、新 、切削工具材 料が次々と開発されている。このような材料開発の流れの中で、工具基材の表面に セラミックス力もなる被覆層を施すセラミックスコーティング技術は、切削工具に欠か せない技術となっている。例えば、高速、高送りといった高速高能率加工に利用され る切削工具の被覆層の形成材料として、炭化チタン (TiC)、窒化チタン (TiN)、炭窒化 チタン (Ti(C, N))といったチタン系セラミックスや、アルミナ (A1 0 )、ジルコユア (ZrO )
2 3 2 などの酸ィ匕物系セラミックスが広く用いられている。特許文献 1では、 X線回折の配向 性指数を規定した被覆層を具えるスローァウェイチップが開示されており、このチップ を高速、高送りといった高速高能率力卩ェに利用している。このようなセラミックスコーテ イング技術は、スローァウェイチップだけでなぐエンドミルやドリルで多用されている ソリッドタイプやロウ付けタイプの工具においても、一般的になってきている。
[0004] 上記セラミックスコーティングを具えることで切削工具は、その表面硬度や耐熱性な どを向上し、高速、高送りといった高速高能率力卩ェの要求に対応している。また、上 記高速高能率加工に加え、最近は、地球環境保護のために切削油を極端に減らし たミスト加工法、或いは切削油を使用しないドライ加工法が注目されている。これらの 加工法に対応するべぐ耐溶着性に優れる被覆層や切粉すベり機能を有する被覆 層を具えるスローアウエィチップ (特許文献 2、 3参照)や、潤滑性を具える CrN膜を被 覆したドリル (特許文献 4参照)が提案されている。その他、放熱性などの特性を向上 するベぐ窒化アルミニウムカゝらなる被覆層を具える切削工具が提案されている (特許 文献 5〜12参照)。
[0005] 特許文献 1 :特開平 11-124672号公報
特許文献 2：特開平 10-158861号公報
特許文献 3：特開 2003-225808号公報
特許文献 4：特開 2003-275911号公報
特許文献 5：特公昭 59-27382号公報
特許文献 6：特許第 2861113号公報
特許文献 7：特開 2002-273607号公報
特許文献 8：特開 2002-263933号公報
特許文献 9：特開 2002-263941号公報
特許文献 10：特開 2003-19604号公報
特許文献 11：特開 2003-25112号公報
特許文献 12：特公昭 59-27302号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] し力しながら、上記従来の切削工具ではいずれも、特に、ミスト加工や切削油を用 V、な 、ドライ加工にぉ 、て潤滑機能が不十分であるため、工具寿命が短くなつており 、潤滑性を向上させて、工具寿命をより長くすることが望まれている。特に、エンドミル やドリルでは、ボディに形成された溝部を通って切屑を流出させるため、切屑の流出 性を高めるベぐ潤滑性に優れることが重要である。また、高い流出性が望まれる深 穴あけ加工や、溶着が起こり易い材料の加工などを行う際には、潤滑性に優れること が望まれる。
[0007] そこで、本発明の主目的は、潤滑性を改善して工具寿命がより長い表面被覆切削 工具を提供することにある。
課題を解決するための手段
[0008] 本発明は、切削時、被削材と最初に接触する最外層に潤滑性を付与するべぐ最 外層の組成を規定し、特定の元素を含有させると共に、耐摩耗性、耐欠損性の向上 を図るベぐ内層の糸且成を規定することで上記目的を達成する。
[0009] 即ち、本発明は、基材表面に被覆層を具える表面被覆切削工具であって、前記被 覆層は、基材上に形成される内層と、この内層上に形成される最外層とからなり、最 外層及び内層は、以下を満たすものとする。
<内層 >
周期律表 IVa、 Va、 Via族金属、 Al、 Si、 Bから選ばれる 1種以上の第一元素と、 B、 C 、 N、 Oから選ばれる 1種以上の第二元素とからなる化合物力もなる (但し、第一元素が Bのみの場合、第二元素は、 B以外とする）
<最外層 >
窒化アルミニウム又は炭窒化アルミニウム力 なり、最外層中に塩素を 0超 0.5原子 %以下含有する
[0010] 本発明者らは、切削工具の使用環境が厳しい条件となる加工、例えば、旋削加工 などに利用されるスローァウェイチップの場合、切削油を使用しないドライ加工や断 続切削などといった刃先が高温になる加工、ドリルやエンドミルの場合、ミスト加工や ドライ加工、深穴あけ加工や高溶着被削材の切削加工などといった条件であっても、 工具寿命をより長くすることができるように、被覆層の特性を改善すると共に、被覆層 の相互の関連性について鋭意検討した。その結果、潤滑性に優れる被覆膜を最外 層とすると共に、特定組成の膜にて内層を構成することが工具寿命の延命に効果的 であるとの知見を得た。具体的には、上記のように特定量の塩素を含む窒化系アルミ -ゥム力もなる膜を最外層とすることで、ドライ加工や断続切削、深穴あけ加工などと いった切削加工であっても、潤滑性を持たせることができ、結果的に耐溶着性を向上 させて、被覆層の剥離を防止することができる。また、旋削加工などに利用されるスロ 一ァウェイチップの場合、 1.潤滑性に優れることで、工具に加えられる切削抵抗を低 下させると共に、特定組成の膜で内層を形成することで、耐欠損性及び耐摩耗性を も向上することができる、 2.潤滑性に優れる膜を具えることで、切削加工後の被削材 表面において工具が接触したことによる表面の「むしれ」が少なぐ高品位で高精度 な被削材製品を得ることができるとの知見も得た。更に、ドリルやエンドミルの場合、 1. 潤滑性に優れることで、工具に加えられる切削抵抗を低下させることができ、切屑の 排出性、耐折損性を高めると共に、特定組成の膜で内層を構成することで、耐摩耗 性、耐チッビング性、耐欠損性をも向上することができる、 2.上記潤滑性に優れる被 覆層を具えることで、製品の品位に関しても、例えば、穴真円度が向上するなど、高 品位で高精度な被削材製品を得ることができるとの知見も得た。これらの知見に基づ き、本発明を規定する。
上記のように工具寿命を向上できた理由は、現段階において以下のように考えられ る。窒化系アルミニウム力もなる膜は、そもそも熱的安定性と潤滑性とを有している。 また、このような窒化系アルミニウム力もなる膜に特定量の塩素を含有させると、スロ 一ァウェイチップでは、ドライ力卩ェゃ高速高送り加工などの刃先の温度が高温になり 易 、力卩ェにお 、て、切削加工に伴 、刃先が 900°C程度の高温の状況下となった際、 工具表面に保護被膜を形成し易くなる。この保護被膜により、潤滑性を高めることが 可能となり、工具の耐溶着性を向上させることができたと考えられる。また、内層を特 定組成カゝらなる膜で形成することで、耐摩耗性を損なうことが少なぐ潤滑性と耐摩耗 性との双方に優れる工具とすることができたと考えられる。一方、ドリルやエンドミルで は、このような窒化系アルミニウム力 なる膜に特定量の塩素を含有させることで、切 削に関与する部位、具体的には刃部及び溝部の工具表面と切屑との間の摩擦係数 が低下されると考えられる。その結果、切刃近傍において、切屑の生成に必要な仕 事量が低下すると共に、切屑の排出性が良好となり、ドライ加工や深穴あけ加工、高 溶着性被削材の加工などと ヽつた切削加工に対しても十分な寿命が得られ、かつ被 削材の品位、加工精度も向上できたと考えられる。また、最外層に特定量の塩素を 含有させることで摩耗係数の低下を実現することに加えて、ドライ加工や深穴あけカロ ェなどの刃先が高温、高圧になり易い加工において、工具表面に保護被膜を形成し 易くなり、この保護被膜により、工具の潤滑性を高めることが可能となり、工具の耐溶 着性を向上させることができたと考えられる。更に、特定組成力もなる膜にて内層を 形成することで、耐摩耗性を損なうことがなぐ潤滑性と耐摩耗性との双方に優れるェ 具とすることができたと考えられる。以下、本発明をより詳しく説明する。
[0012] (被覆層）
<最外層 >
本発明において、切削時、被削材に最初に接触する最外層は、窒化アルミニウム 又は炭窒化アルミニウムといったアルミニウム化合物からなるものとする。そして、本 発明では、この窒化系アルミニウム力もなる膜に塩素を含有させる。具体的には、最 外層中に 0超 0.5原子％以下の塩素を含有させる。最外層に 0.5原子％以下の塩素を 含有することで、高温での切削環境下において保護被膜を形成することができ、潤 滑性の向上を図ることができる。 0.5原子％を超えて塩素を含むと、最外層を形成す る膜が容易に剥離してしまう。また、塩素を全く含有させないと、上記のように保護被 膜の形成がなされない。特に好ましい塩素含有量は、 0.07原子％以上 0.3原子％以 下である。最外層に 0超 0.5原子％以下の塩素を含ませる方法としては、上記窒化系 アルミニウム力 なる膜の形成に熱 CVD法、プラズマ CVD法と 、つた化学的蒸着法 (CVD法)を利用する場合、反応ガスに塩素含有ガス、例えば、塩ィ匕水素 (HC1)を用い ることが挙げられる。このとき、塩ィ匕水素の含有量は、反応ガス全体を 100容量％とし て、 0超 5.0容量％未満、特に、 1.0容量％以下とすることが挙げられる。また、窒化系 アルミニウム力もなる膜の形成にアーク式イオンプレーティング法、マグネトロンスパッ タ法といった物理的蒸着法 (PVD法)を利用する場合、膜形成後、イオン注入法により 塩素イオンを注入することが挙げられる。このとき、注入量を適宜調整することで、最 外層中の塩素の含有量を調整するとよ!/、。
[0013] 上記最外層は、更に酸素を含有していてもよい。即ち、最外層は、窒化アルミ-ゥ ム、炭窒化アルミニウムだけでなぐ窒酸ィ匕アルミニウム、炭窒酸ィ匕アルミニウムから なる膜としてもよい。酸素を含有させることで、保護被膜をより形成し易くなる。
[0014] このような最外層は、その膜厚を後述する内層の合計膜厚の 1/2以下とすることが 好ましい。このとき、被覆層は、保護被膜の形成機能といった潤滑機能と耐摩耗性と をバランスよく具えることができる。 1/2超とすると、最外層が厚くなることで、被覆層全 体では、潤滑性に優れるものの摩耗し易くなるため、工具寿命を短くする恐れがある 。特に、最外層の膜厚は、本発明切削工具をスローァウェイチップとする場合、 0.03 μ m以上 10 m以下が好ましぐ本発明切削工具をドリル又はエンドミルとする場合、 0.03 μ m以上 8 μ m以下が好ましい。 0.03 μ m未満では、十分な潤滑機能が得られに くぐ 10 m超又は 8 m超では、上記と同様に内層よりも最外層の方が厚くなつて、 耐摩耗性を低下させ易い。膜厚の測定は、例えば、被覆層を具えるチップやドリルな どの切削工具を切断し、その断面を SEM (走査型電子顕微鏡)を用いて観察して求め ることが挙げられる。
[0015] この最外層において、刃先稜線部分近傍で被削材と接触する箇所の面粗さは、切 削工具断面から観察する方法で測定を行った際、基準長さ 5 μ mに対して Rmaxが 1.3 m以下であることが好ましい。本発明者らが調べたところ、最外層において上記接 触する箇所の表面粗さ Rmaxが 1.3 m超となって粗くなると、被削材の溶着が発生し 易くなり、潤滑効果が発揮しに《なることが判った。この面粗さは、最外層成膜後、 基材を切断してその断面をラッピングし、金属顕微鏡や電子顕微鏡などで膜表面の 凹凸状況を観察した際、基準長さ 5 mの範囲における最大面粗さ (Rmax)とし、巨視 的なうねりなどは排除する。また、この面粗さは、成膜条件によってある程度制御する ことができる。例えば、成膜温度を高温にするほど、結晶組織が粗くなるため、延いて は膜表面の面粗度が粗くなる。そこで、面粗度を小さくするために成膜温度を低めに することが挙げられる。このように特に成膜後、特別な処理を施すことなく成膜完了状 態において Rmaxで 1.3 μ m以下とすることができる力 成膜後に、例えば、パフ、ブラ シ、バレルや弾性砲石などによる研磨を施したり、マイクロブラスト、ショットピーユング 、イオンビーム照射による表面改質を行うことによって、面粗さを変化させることも可能 である。
[0016] <内層 > 本発明において内層は、周期律表 IVa、 Va、 Via族金属、 Al、 Si、 Bから選ばれる 1種 以上の第一元素と、 B、 C、 N、 0から選ばれる 1種以上の第二元素とからなる化合物 力もなるものとする (但し、第一元素が Bのみの場合、第二元素は、 B以外とする)。特 に、 TiCN、 TiN、 TiBN、 TiCNOなどの Tiを含む化合物からなる膜や Al 0や ZrOなど
2 3 2 の酸ィ匕物力もなる膜は、耐摩耗性に優れて好ましい。また、 TiNは、基材との密着性 が高いため、最内層とすることが好ましい。このような内層は、単一の膜でもよいし、 複数の膜から構成してもよい。内層を複数の膜にて構成する場合、各膜の組成や組 織を異ならせるとよい。また、内層は、熱 CVD法、プラズマ CVD法などの CVD法、ァ ーク式イオンプレーティング法、マグネトロンスパッタ法などの PVD法の!/、ずれで形成 してもよい。公知の条件にて形成してもよい。
[0017] 上述のように内層に Tiィ匕合物膜を具えることで、より優れた耐摩耗性を有する。特 に、 TiCN力もなる膜が好適であり、そのなかでも柱状組織を有する TiCN力もなる膜を 具えることが好ましい。更に、アスペクト比 3以上の柱状組織を有し、かつ結晶の (220) 面、（311)面、（422)面の各配向性指数 (配向性強度係数) TC(220)、 TC(311)、 TC(422) の!、ずれかが配向性指数の最大値をとる TiCNからなる膜がより好ま 、。このように 特定形状の組織を有し、結晶面が特定の結晶配向を有する TiCN膜を具えることで、 刃先が高温となるような厳しい切削環境下においても、耐摩耗性の向上、引いては 工具寿命の延命化を図ることが可能である。
[0018] アスペクト比 3以上の柱状組織とするのは、 3未満であると、高温切削条件下での耐 摩耗性が低下する傾向にあり、粒状組織では、目的とする耐摩耗性の向上が得られ にくいからである。
[0019] 柱状組織とするには、例えば、 CVD法で膜を形成する場合、柱状構造が得られ易 い CH CNなどの有機炭窒化物を原料ガスに用い、反応雰囲気温度 (800°C以上 950
3
°C以下)及び圧力 (4.0kPa以上 80kPa以下)に制御することで得ることができる。また、 有機炭窒化物以外のガス種を使用する場合などは、膜の成膜速度を上げる、膜の成 膜温度を高くする、原料ガスの濃度を濃くするなどの方法が挙げられる。アスペクト比 を 3以上とするには、例えば、結晶の平均粒径を小さくする (好ましくは 0.05 m以上 1.5 m以下)と共に、柱状構造の膜組織を成長させることが挙げられる。その方法とし て、当該 TiCN膜の成膜条件 (成膜温度、成膜圧力、ガス組成、ガスの流速、ガスの流 量など)を適宜変更させる方法が挙げられる。また、当該 TiCN膜の直下又は下方にあ る基材の表面状態、又は当該 TiCN膜の直下又は下層にある被覆膜の表面状態を適 宜変化させる方法も挙げられる。具体的には、例えば、基材の表面を表面粗さ Rmax( 基準長さ 5 μ m)を 0.05 μ00 1 m以上 1.5 μ m以下に制御させた状態でこの基材上に、成膜 条件を適宜変更させて当該 T I JiCN膜を成膜してもよい。或いは、ある膜の表面粗さや 粒子の化学的状態、粒子径 (特に 0.01 μ m以上 1.0 m以下)などを制御させた状態で この膜の上に、成膜条件を適宜変更させて当該 TiCN膜を成膜してもよい。
[0020] 上記アスペクト比の測定は、例えば、以下のように求めるとよい。即ち、被覆層の断 面を鏡面加工して、柱状構造を有する TiCNからなる膜の組織の粒界をエッチングす る。そして、この TiCNからなる膜の膜厚の 1/2にあたる箇所で、基材と水平方向にある 各結晶の幅を粒径とし、各結晶の粒径を測定して平均値を求める (平均値は平均粒 径となる)。膜厚を得られた平均粒径で割って、膜厚に対する平均粒径の割合を算出 し、この算出値をアスペクト比とするとよい。
[0021] この特定のアスペクト比を有する TiCN膜は、上述のように結晶面が特定の結晶配 向を有する。このとき、配向性指数 TCは、以下のように定義される。
[0022] [数 1] f I(hkl)
琴 i) = I(hkl)
I0(hkl) 8 0(hkl)
I(hkl)：測定された (hkl)面の回折強度
I0(hkl): JCPDSファイルによる (hkl )面を構成する
当該金属の炭化物と当該金属の窒化物の粉末回折強度の平均値 (hkl)： (111)、(200)、(220)、(311)、(331)、(420)、(422)、(511)の 8面
[0023] 配向性指数 (配向性強度係数) TC(220 TC(311 TC(422)のいずれかが最大値と なるには、当該 TiCN膜の成膜条件 (成膜温度、成膜圧力、ガス組成、ガスの流速、ガ スの流量など)を適宜変更させる方法が挙げられる。また、当該 TiCN膜の直下又は下 方にある基材の表面状態、又は当該 TiCN膜の直下又は下層にある膜の表面状態を 適宜変化させる方法も挙げられる。具体的には、例えば、基材の表面を表面粗さ Rmax (基準長さ 5 μ m)を 0.05 μ m以上 1.5 μ m以下に制御させた状態でこの基材上に 、成膜条件を適宜変更させて当該 TiCN膜を成膜してもよい。或いは、ある膜の表面 粗さや粒子の化学的状態、粒子径などを制御させた状態でこの膜の上に、成膜条件 を適宜変更させて当該 TiCN膜を成膜してもょ 、。
[0024] 回折強度は、基材の断面において、基材の凹凸により反射などが生じないように基 材がフラットな部分 (平滑な部分)で測定することが好ましい。なお、周期律表 IVa、 Va 、 Via族金属の炭窒化物において、 X線の回折強度の同定は、 JCPDSファイル (Powder Diffraction File Published by Jし PD¾ International し enter for Diffraction Data)に記載がない。そのため、当該炭窒化物である TiCNからなる膜の 回折強度の同定は、当該金属であるチタン (Ti)の炭化物の回折データ、同窒化物の 回折データ、及び実測した TiCNの炭窒化物の回折データを比較して、それぞれの 面指数を推定し、その面指数の回折強度を測定することで得るとよい。
[0025] 内層を複数の膜にて形成する場合、少なくとも一つの膜を上記アスペクト比などを 特定した TiCN膜とし、その他の膜を上記第一元素と第二元素とからなる化合物膜と してもよい。即ち、内層は、当該 TiCN膜と、上記化合物膜とにて構成してもよい。この とき、化合物膜は、当該 TiCN膜と組成が異なる膜としてもよいし、当該 TiCN膜と組織 又は配向性を異ならせた TiCN膜としてもよい。また、当該 TiCN膜は、単一の膜でもよ いし、複数具えていてもよい。化合物膜と当該 TiCN膜とは、いずれを基材側にしても よい。即ち、基材側から順に、当該 TiCN膜、化合物膜、最外層としてもよいし、基材 側から順に、化合物膜、当該 TiCN膜、最外層としてもよい。
[0026] 本発明切削工具をスローアウエィチップとする場合、上記最外層及び内層からなる 被覆層全体の膜厚は、 0.1 μ m以上 30.0 m以下とすることが好ましい。被覆層全体 の膜厚が 0.1 m未満の場合、耐摩耗性の向上効果が得られにくい。 30.0 m超の場 合、被覆層が厚くなることで耐摩耗性の向上は実現できるが、高硬度となるために欠 損が生じ易ぐ欠けによる寿命が多発して安定した加工が困難になり易い。また、本 発明切削工具をドリル又はエンドミルとする場合、上記最外層及び内層からなる被覆 層全体の膜厚は、 0.1 μ m以上 24 m以下とすることが好ましい。被覆層全体の膜厚 力 .1 μ m未満の場合、耐摩耗性が損なわれ易い。 24 m超の場合、被覆層が厚くな ることで耐摩耗性の向上は実現できるが、耐剥離性ゃ耐欠損性が損なわれ、チッピ ングが多発して安定した加工が困難になり易い。
[0027] 上記最外層は、内層を構成する少なくとも一つの膜よりも、膜硬度が低いことが好ま しい。即ち、内層には、最外層よりも膜硬度が高い膜を具えることが好ましい。最外層 の膜硬度が低いことで、切削初期に工具が被削材に食いつく際に生じる欠損や、断 続切削による欠損などを防止することができ、安定した加工が可能となる。膜硬度は 、膜組成により変化させるほか、成膜条件によって膜の組織構造を変化させることに より変化させることができる。膜組成が同じ場合、膜の組織構造が微粒であるほど、膜 硬度が高くなる傾向にある。各膜の硬度の測定は、被覆層を具えるチップやドリルな どの切削工具を切断し、その断面において行うとよい。
[0028] 上記被覆層は、少なくとも基材表面の切削に関与する部位に被覆する。基材表面 全体に被覆してもよい。例えば、スローァウェイチップの場合、切削に関与する部位と は、刃先稜線部、すくい面、逃げ面が挙げられる。エンドミルやドリルの場合、切削に 関与する部位とは、刃部と支持部とからなる通常ボディと呼ばれる部分が挙げられる 。図 1(A)は、エンドミルの概略を示す正面図、（B)はドリルの概略を示す正面図である 。具体的には、エンドミルの場合、切削に関与する部位とは、図 1(A)に示すように実 際の切削にかかわる端面 (底刃 1)及び側面 (外周刃 2)といった刃部、切屑が接触する 溝部 3が挙げられる。ボディだけでなぐ端面から溝部が形成されるボディ 4から、駆動 装置に装着されるシャンク 5と呼ばれる部分に亘り被覆層を設けてもよい。ドリルの場 合、切削に関与する部位として、実際の切削にかかわる先端部 6の表面、切屑が接 触する溝部 (フルート部) 7が挙げられる。ドリルの場合も、ボディ 8だけでなぐ先端部 及び溝部が形成されて！ヽるボディ 8から、駆動装置に装着されるシャンク 9に亘り被覆 層を設けてもよい。被覆層を設けない部分は、膜形成時に、適宜マスキングしたり、 一旦膜を形成した後、研磨などにより膜を取り除くとよい。
[0029] なお、基材表面に上記最外層及び内層からなる被覆層を成膜後、従来と同様に切 刃稜線部に研磨処理やレーザ処理などの表面処理を施してももちろんよい。本発明 切削工具は、このような表面処理によって被覆層の特性を著しく損なうことはない。
[0030] (基材） 本発明において基材は、特に、基材のうち少なくとも切削に関与する部位は、 WC 基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶型窒化硼素焼結体、及び窒 化ケィ素焼結体のいずれかから構成されるものを利用することが好ましい。特に、本 発明切削工具をドリル又はエンドミルとする場合、基材のうち少なくとも切削に関与す る部位は、 WC基超硬合金、サーメット、高速度鋼、及び立方晶型窒化硼素焼結体の いずれかから構成されるものを利用することが好ましい。 WC基超硬合金、サーメット からなる基材を利用する場合、 WC以外の硬質相が消失したいわゆる脱 |8相、硬質 相が消失して結合相に富むバインダー富化層、結合相を低減させた表面硬化層とい つた表面改質層が基材表面又は基材のうち切削に関与する部位の表面に存在して も本発明の効果は認められる。
[0031] 本発明は、ドリル、エンドミル、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削用刃先交換 型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップといった種々の切削工具が選択でき る。特に、本発明は、スローァウェイチップ、ドリル、エンドミルのいずれかとして好適 に利用することができる。このとき、ドリル及びエンドミルは、刃部を支持体に着脱可 能なスローアウエイタイプ (刃先交換タイプ)ではなぐ刃部と支持部とがー体に焼結又 は形成されたタイプ、いわゆるソリッドタイプ、或いは支持部に刃部をロウ付けする口 ゥ付けタイプのエンドミル、ドリルとする。ロウ付けタイプの場合、上記被覆層は、比較 的成膜温度が低い PVD法にて形成することが好ましい。一方、ソリッドタイプの場合、 上記被覆層の形成は、 PVD法でもよいし、比較的成膜温度が高い CVD法でもよい。 発明の効果
[0032] 以上説明したように本発明表面被覆切削工具によれば、特定の被覆層を具えるこ とで、潤滑性に優れると共に、耐摩耗性、耐剥離性、耐欠損性、耐折損性にも優れる 。従って、ドライ加工や深穴あけ加工、高溶着性被削材の加工、その他高速'高能率 加工のように刃先が高温状態にさらされる加工などといった切削条件の厳しい使用 環境下であっても、優れた切削性能を有し、工具寿命をより延命化することができる。
[0033] 特に、本発明表面被覆切削工具において、内層に特定の TiCN膜を具えることで、 潤滑性と耐摩耗性の双方に優れ、上述のような厳しい使用環境下であっても、優れ た切削性能を有し、工具寿命をより延命化することができる。 発明を実施するための最良の形態
[0034] 以下、本発明の実施の形態を説明する。
実施例 1
[0035] 以下、旋削加工用のスローァウェイチップを例にとって具体的に説明する。
(試験例 1-1)
組成が WC:86質量0 /0、 Co:8.0質量0 /0、 TiC:2.0質量0 /0、 NbC:2.0質量0 /0、 ZrC:2.0質 量％である材料粉末を配合し、ボールミルで 72時間湿式混合して乾燥した後、ブレ 一力形状が施された圧紛体にプレス成型した。この圧粉体を焼結炉にて、真空雰囲 気中で 1420°C、 1時間の条件で焼結を行い、焼結体を得た。得られた焼結体の刃先 稜線部に SiCブラシホー-ング処理を施して面取り加工を行い、 ISO SNMG120408の WC基超硬合金力もなるスローァウェイチップの基材を得た。
[0036] この基材表面に化学的蒸着法である熱 CVD法を用いて被覆層を形成した。本試験 では、基材側から順に、内層として、 TiN(0.5)、 TiCN(6)、 TiBN(0.5)、 κ - Al Ο (2)を形
2 3 成し、最外層として Α1Ν(3)を形成した (括弧内の数値は膜厚である (単位 m》。表 1〖こ 各膜の成膜条件の一例を示す。具体的には反応ガスの組成 (容量％)、成膜時の圧 力 (kPa)、成膜温度 (°C)を示す。膜厚は、成膜時間により調整した。そして、最外層を 形成する A1N膜は、表 1に示すように成膜条件を変化させることで、塩素含有量が異 なる試料を作製した。表 2に最外層の塩素含有量を示す。具体的には、最外層中に 0 超 0.5原子％以下の塩素を含有するもの、同 0.5原子％超の塩素を含有するもの、同 塩素を含有しないものを作製した。塩素の含有量は、表 1に示すように反応ガスのう ち塩ィ匕水素 (HC1)の比率を変化させることで変化させた。また、塩ィ匕水素の量により、 適宜成膜時の圧力、成膜温度を変化させた。更に、最外層中に 0超 0.5原子％以下 の塩素を含有する試料にぉ ヽて、最外層の刃先稜線部分近傍で被削材と接触する 箇所の面粗さを調べたところ、いずれも工具断面から観察する方法によって測定され る基準長さ 5 μ mに対して Rmax力 1.3 μ m以下であった。具体的には、例えば、試料 1-2では 0.6 μ mであった。塩素の含有量は、 XPS(X-ray Photoelectron
Spectroscopy)にて測定した力 組成の確認は、透過電子顕微鏡に併設の微小領域 EDX(Energy Dispersive X— ray ¾pectroscopy)¾¾や、 SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)によってもできる。また、試料ごとに各膜のヌープ硬度を調べたところ 、最外層である A1N膜はいずれも、内層の TiCN膜よりも硬度が低いことを確認した。
[表 1]
Figure imgf000015_0001
丄 ： 0 0. 5 の の
※？：塩素を含まないもの
※3：塩素含有量が 0. 5原子％超のもの [表 2] 料 塩素含有量
最外層
No. 原子％
1-1 A1N 0. 02
1-2 A1N 0. 15
1-3 A1N 0. 49
1-4 A1N 0
1-5 A1N 0. 90 [0039] 表 2に示す最外層を有する表面被覆スローアウエィチップを用いて、表 3に示す切 削条件にて切削加工を行い、工具寿命となるまでの加工時間を測定した。耐剥離性 試験では、繰り返し切削加工を行い、膜剥離に起因した逃げ面摩耗量が 0.3mm以上 となった時点を工具寿命とした。耐欠損性試験では、断続切削加工とし、欠損が生じ たときを工具寿命とした。試験の結果を表 4に示す。
[0040] [表 3]
Figure imgf000016_0001
[0041] [表 4]
Figure imgf000016_0002
[0042] その結果、表 4に示すように最外層として、 0超 0.5原子％以下の塩素を含む窒化ァ ルミ-ゥム膜を具える試料ト 1〜ト 3は、ドライ加工や断続加工といった刃先が高温と なる環境であっても、優れた潤滑性を発揮して、耐溶着性を向上することで耐剥離性 に優れると共に、切削抵抗を下げることで耐欠損性にも優れることがわかる。また、こ れらの試料 1-1〜1-3は、摩耗量も少なぐ耐摩耗性にも優れていた。これらのことか ら、試料 1-1〜1-3は、加工時間が長ぐ工具寿命の延命化を実現していることがわか る。
[0043] (試験例 1-2)
試験例 1-1で用いた超硬合金基材と同様のものを用意し、得られた基材表面に熱 C VD法を用いて表 1に示す成膜条件 (ガス組成、圧力、温度)で被覆層を形成した。表 5 に被覆層の組成、膜厚、被覆層全体の膜厚 (全膜厚)を示す。なお、表 5において、基 材に近い方力も順に、第一膜、第二膜…としている。
[表 5]
試料 ¾ー 第二 f莫 第二膜 第四膜 第五膜 第六 1 i 全膜厚 加工時間 No. 膜種 膜厚 膜種 膜厚 膜種 膜厚 膜種 膜厚 膜種 膜厚 膜種 膜厚 μ m min
2-1 TiCN 5.0 A1N ^ 2.0 7.0 20
2-2 TiN 0.5 Ζι€ 7.0 A1N m 0.5 8.0 31
2-3 TiN 1.0 TiCN 4.5 TiC 1.5 TiCNO 1.0 κ A1203 3.0 A1CN※丄 5.0 16.0 35
2-4 TiN 0.3 TiCN 6.5 TiBN 0.5 κ A1203 1.5 TiN 0.3 Α1Ν ι 3.0 12.1 27
2-5 TiN 0.5 TiCN 20.0 Al203-Zr02 5.0 2.0 27.5 37
2-6 TiCN 3.0 TiZr€N 5.0 Zr¾ 2.3 AlA- rO, 2.5 A10N 1.7 14.5 28
2-7 TiCN 3.2 TiN 0.5 HfCN 4.3 A1C 2.5 10.5 21
2-8 TiN 0.5 TiBN 1.3 a A1A 5.0 A1N 0.05 6.85 25
2-9 HfC 3.5 a A1203 1.5 TiCNO 2.3 TiCN 6.5 TiN 0.7 A1C 581 0.7 15.2 30
2-10 TiN 5.0 TiZiC 14.0 A1C 9.0 28 32
2-11 TiN 0.5 TiCN 4.5 A1C 0.5 A1N m 0.5 6.0 23
2-12 TiN 0.5 TiCNO 2.0 TiCN 6.0 TiBN 0.5 f A1203 1.5 A1C 0.7 11.2 25
2-13 HfCN 4.0 TiN 1.0 5.0 4
2-14 TiN 0.5 TiCN 5.0 TiCNO 0.5 Zr02 2.0 TiCN 0.1 TiN 2.0 10.1 6
2-15 TiN 0.5 A10N※！ 2.0 A1A 3.0 TiN 1.5 7.0 6
2-16 Zr€ 0.07 A1N 0.02 0.09 8
2-17 TiN 0.5 Zi€N 4.0 A1N 0.02 4.52 11
2-18 TiN 0.5 TiCN 3.0 TiCNO 11.0 A1203 3.5 A1203 - Zr02 7.0 A1CN 10.0 35.0 7
2-19 TiCN 4.0 TiBN 2.0 Zr(¾ 2.0 A1C 8.0 16.0 13
2-20 TiN 1.0 Zr N 4.0 A10N 1.3 6.3 5
2-21 嫌 ※ 1 5.0 5.0 3
2-22 TiN 3.0 A1C 1.0 4.0 11
2-23 TiZrCN 10.0 A1C 4.0 14.0 10
[0045] 表 5に示す被覆層を有する表面被覆スローアウエィチップを用いて、以下に示す切 削条件にて繰り返し切削加工を行 、、工具寿命となるまでの加工時間を測定した。 工具寿命は、逃げ面摩耗量が 0.3mm以上となったときとした。試験の結果も表 5に示 す。
[0046] 被削材: SCM435 丸棒による 15秒繰り返し耐摩耗性試験
速 度: V= 180m/min
送 り: f=0.2mm/rev.
切込み: d= 1.5mm
切削油:なし
[0047] その結果、表 5に示すように特定量の塩素を含有する窒化系アルミニウム膜を最外 層とし、特定組成の膜を内層に具える試料 2-1〜2-12、 2-16〜2-19、 2-22, 2_23は、 その他の試料と比較して、潤滑性に優れると共に、優れた耐摩耗性を有することがわ かる。
[0048] また、表 5に示す結果から、最外層は、 0.03 m以上、全体膜厚は 0.1 μ m以上 30 m以下が好ましいことがわかる。更に、最外層は、内層の合計厚みの 1/2以下が好ま しいことがわ力る。
[0049] 上記試料 2-1〜2-23の全てのチップを切断し、最外層にお 、て、刃先稜線部近傍 で被削材と接触する箇所の面粗さを基準長さ 5 μ mで測定した結果、試料 2-23を除く すべてのチップが Rmaxで 1.3 μ m以下となっていたが、試料 2- 23は Rmaxで 1.7 μ mで あった。そこで、試料 2-23の最外層において刃先稜線部近傍で被削材と接触する箇 所を # 1500のダイヤモンドペーストで研磨して、同様の方法で研磨後の面粗さを測 定したところ、 Rmaxで 0.52 mとなっていた。この研磨したチップを用いて同じ切削条 件で切削試験を行った結果、工具寿命は 22minとなった。これは、刃先稜線部近傍 において被削材と接触する箇所の凹凸が減り、切削抵抗が下がったためであると考 えられる。また、試料 2-3において同様に面粗さを測定したところ、 Rmaxで 0.76 /z mで あつたが、上記と同様の方法で刃先を研磨し、再度切削すると工具寿命は 45minとな り、大幅に改善された。
[0050] 更に、試料 2-22は、最外層の膜硬度が内層の膜硬度よりも高くなるように被覆層を 形成した。そして、上記試料 2-1〜2-20,2-22,2-23において、被覆層を構成する各膜 の硬度を測定したところ、試料 2-22を除く全てのチップで最外層の膜硬度が内層の 少なくとも 1膜よりも低くかったが、試料 2- 22は、最外層の膜硬度が内層の膜硬度より も高かった。このため、試料 2-22は、試料 2-1〜2-12と比較して切削性能が低下した と考えられる。
[0051] (試験例 1-2')
上記試料 2-1〜2-23と同様の表面被覆チップを作製し、以下の切削条件で切削試 験を行い、所定切削長 (500m)におけるクレータ摩耗量 (面積: mm2)を測定した。
被削材: S50C
速 度: V=250m/min
送 り: f=0.3mm/rev.
切込み: d= 1.5mm
切削油:なし
その結果、試料 2-1〜2-12、 2-16〜2-19、 2-22, 2_23は、その他の試料と比較して クレータ摩耗量が少なかった。例えば、試料 2-4,2-5,2-6はそれぞれ、 0.45mm2, 0.39mm2, 0.44mm2であった。
[0052] (試験例 1-3)
基材を下記に代えて、表 5の試料 2-2、 2-13と同様の組成の被覆層を公知の PVD法 にて形成し、表面被覆チップを作製した。試料 2-2と同様の組成の被覆層を具えるチ ップにおいては、被覆層を形成した後、イオン注入法を用いて塩素を最外層に含有 させた表面被覆チップを作製した。これら表面被覆チップを用いて、試験例ト 2と同 様の切削条件で切削試験を実施した。試料 2-2の被覆層を形成した試料は 、ずれも 最外層の塩素の含有量を 0.2原子％とした。
1 JIS規格: P20サーメット製の切削チップ (住友電工ハードメタル (株)製 T1200A) 2 セラミック製の切削チップ (住友電工ノヽードメタル (株)製 W80)
3 窒化珪素製の切削チップ (住友電エノ、一ドメタル (株)製 NS260)
4 立方晶型窒化硼素切削チップ (住友電工ハードメタル (株)製 BN250)
その結果、試料 2-2の組成の被覆層を具えるチップはいずれも、試料 2-13の組成 の被覆層を具える従来のチップよりも 2倍以上の工具寿命を有することが確認できた
[0053] (試験例 1-4)
組成が WC:86質量0 /0、 Co:8.0質量0 /0、 TiC:2.0質量0 /0、 NbC:2.0質量0 /0、 ZrC:2.0質 量％である材料粉末を配合し、ボールミルで 72時間湿式混合して乾燥した後、ブレ 一力形状が施された圧紛体にプレス成型した。この圧粉体を焼結炉にて、真空雰囲 気中で 1420°C、 1時間の条件で焼結を行い、焼結体を得た。得られた焼結体の刃先 稜線部に SiCブラシホー-ング処理を施して面取り加工を行い、 ISO SNMG120408の WC基超硬合金力もなるスローァウェイチップの基材を得た。
[0054] この基材表面に化学的蒸着法である熱 CVD法を用いて被覆層を形成した。本試験 では、基材側から順に、内層として、 TiN(0.5)、柱状組織 TiCN(6)、 TiBN(0.5)、 κ - Al
2
O (2)を形成し、最外層として A1N(3)を形成した (括弧内の数値は膜厚である (単位
3
m))0表 6に各膜の成膜条件の一例を示す。具体的には反応ガスの組成 (容量％)、成 膜時の圧力 (kPa)、成膜温度 (°C)を示す。膜厚は、成膜時間により調整した。また、本 試験において TiCN膜は、アスペクト比が 4.2の柱状組織を有し、配向性指数 TCのう ち (311)面が最大値となるように成膜させた。具体的には、反応ガスに CH CNを用い、
3 温度: 900°C、圧力: 8kPaとすると共に、 TiCN膜の下層に形成した TiN膜の表面粗さ Rmax (基準長さ 5 μ m)が 0.1 μ m程度となるように TiN膜の成膜条件 (ガス組成、圧力、 温度)を定めた。そして、最外層を形成する A1N膜は、表 6に示すように成膜条件を変 化させることで、塩素含有量が異なる試料を作製した。表 7に最外層の塩素含有量を 示す。具体的には、最外層中に 0超 0.5原子％以下の塩素を含有するもの、同 0.5原 子％超の塩素を含有するもの、同塩素を含有しないものを作製した。塩素の含有量 は、表 6に示すように反応ガスのうち塩ィ匕水素 (HC1)の比率を変化させることで変化さ せた。また、塩ィ匕水素の量により、適宜成膜時の圧力、成膜温度を変化させた。更に 、最外層中に 0超 0.5原子％以下の塩素を含有する試料において、最外層の刃先稜 線部分近傍で被削材と接触する箇所の面粗さを調べたところ、 V、ずれも工具断面か ら観察する方法によって測定される基準長さ 5 μ mに対して Rmax力 i .3 μ m以下であ つた。具体的には、例えば、試料 3-2では 0.6 mであった。塩素の含有量は、 XPS※(X-ray Photoelectron Spectroscopy)にて測定した力 組成の確認は、透過電 子顕微鏡に併設の微小領域 EDX(Energy Dispersive X- ray Spectroscopy)分析や 、 SIMS(¾econdary Ion Mass ¾pectrometr Hこよつてもでさ 。
[表 6]
Figure imgf000022_0002
塩素含有量が 0超 0. 5原子。/。以下のもの
塩素を含まないもの
Figure imgf000022_0001
塩素含有量が 0. 5原子％超のもの [表 7]
5¾料 塩素含有量
最外層
No. 原子％
3-1 A1N 0. 02
3-2 A1N 0. 15
3-3 A1N 0. 49
3-4 A1N 0
3-5 A1N 0. 90 [0057] 表 7に示す最外層を有する表面被覆スローアウエィチップを用いて、表 8に示す切 削条件にて連続切削加工を行い、工具寿命となるまでの加工時間を測定した。耐剥 離性試験では、繰り返し切削加工を行い、膜剥離に起因した逃げ面摩耗量が 0.3mm 以上となった時点を工具寿命とした。耐摩耗性試験では、逃げ面摩耗量が 0.3mm以 上となったときを工具寿命とした。試験の結果を表 9に示す。
[0058] [表 8]
Figure imgf000023_0001
[0059] [表 9]
Figure imgf000023_0002
[0060] その結果、表 9に示すように最外層として、 0超 0.5原子％以下の塩素を含む窒化ァ ルミ-ゥム膜を具える試料 3- 1〜3- 3は、ドライ加工であっても、優れた潤滑性を発揮 して、耐溶着性を向上すると共に、切削抵抗を下げることで耐剥離性に優れることが わかる。また、内層として特定の TiCN膜を具えることで、これらの試料 3-1〜3-3は、 耐摩耗性にも優れることがわかる。更に、これらの試料 3-1〜3-3は、チッビングなども 生じておらず、耐チッビング性、耐欠損性にも優れていた。これらのことから、試料 3-1 〜3-3は、加工時間が長ぐ工具寿命の延命化を実現していることがわかる。
[0061] (試験例 1-5)
試験例 1-4で用いた超硬合金基材と同様のものを用意し、得られた基材表面に熱 CVD法を用いて表 6に示す成膜条件 (ガス組成、圧力、温度)で被覆層を形成した。 本試験では、基材側から順に、 TiN(0.5)、柱状組織 TiCN(4)又は粒状組織 TiCN(4)、 TiBN(0.5)、 Al O - ZrO (2)とし、最外層として ^※1^^；表 7において試料 3-3)を形成し
2 3 2
た (括弧内の数値は膜厚である (単位 m))。膜厚は、成膜時間により調整した。また、 本試験において柱状組織 TiCN膜は、表 6に示すように成膜時の圧力と成膜温度とを 変化させると共に、 TiCN膜の下層に形成した TiN膜の表面粗さやガス条件を変化さ せることで、アスペクト比、配向性指数の最大値をとる面を変化させた。具体的には、 反応ガスに CH CNを用い、例えば、ガス温度 920°C、圧力 6kPaとし、反応ガスである
3
CH CNを徐々に導入することで、 TiCN膜のアスペクト比を 3以上とした。また、例えば
3
、 TiCN膜の配向性指数の最大値 TC(422)とするには、基材の表面粗さ Rmax (基準長 さ 5 μ m)を 0.09 μ mに制御すると共に、この基材の外側 (基材カも離れる側)〖こァスぺク ト比の制御を行いながら TiCN膜を成膜することで得られた。更に、最外層の刃先稜 線部分近傍で被削材と接触する箇所の面粗さが工具断面から観察する方法によつ て測定される基準長さ 5 μ mに対して Rmaxで 0.4 μ mとなるように、全ての試料におい て、最外層を形成後、最外層の表面に研磨処理を施した。表 10に TiCN膜の組織形 態、アスペクト比、配向性指数 TCが最大値を示す面を示す。
[0062] [表 10]
Figure imgf000024_0001
[0063] 表 10に示す TiCN膜を内層に有する表面被覆スローアウエィチップを用いて、以下 に示す切削条件にて連続切削加工を行 、、工具寿命となるまでの加工時間を測定 した。工具寿命は、逃げ面摩耗量が 0.3mm以上となったときとした。試験の結果も表 10に示す。
[0064] 被削材: SUS材 丸棒による耐摩耗性試験 速 度: V=200m/min
送 り: f=0.2mm/rev.
切込み: d= 1.5mm
切削油:なし
[0065] その結果、表 10に示すように内層として TiCN膜を具える場合、柱状組織を有するも のは、耐摩耗性により優れることがわかる。特に、内層にアスペクト比 3以上、配向性 指数 TC(311)、 TC(220)、 TC(422)のいずれかが最大値をとる柱状組織の TiCN膜を具 える試料 4-1〜4-3は、ドライカ卩ェであっても、更に耐摩耗性に優れており、工具寿命 が長くなつていることがわかる。このように工具寿命が長くなつたのは、潤滑性に優れ る最外層と内層として特に耐摩耗性に優れる特定の TiCN膜とを具えているためであ ると考免られる。
[0066] (試験例 1-6)
試験例 1-4で用いた超硬合金基材と同様のものを用意し、得られた基材表面に熱 CVD法を用いて表 6に示す成膜条件 (ガス組成、圧力、温度)で被覆層を形成した。 本試験において、柱状組織 TiCN膜は、アスペクト比が 3以上、配向性指数 TC(311)、 TC(220)、 TC(422)のいずれかが最大値をとるように成膜条件を制御した。表 11に被 覆層の組成、膜厚、被覆層全体の膜厚 (全膜厚)を示す。なお、表 11において、基材 に近い方力も順に、第一膜、第二膜…としている。
[0067] [表 11]
Figure imgf000026_0001
[0068] 表 11に示す被覆層を有する表面被覆スローアウエィチップを用いて、以下に示す 切削条件にて連続切削加工を行い、工具寿命となるまでの加工時間を測定した。ェ 具寿命は、逃げ面摩耗量が 0.3mm以上となったときとした。試験の結果も表 11に示す
[0069] 被削材: SCM435 丸棒による 15秒繰返し耐摩耗性試験
速 度: V= 180m/min
送 り: f=0.2mm/rev.
切込み: d= 1.5mm
切削油:なし
[0070] その結果、表 11に示すように特定量の塩素を含有する窒化系アルミニウム膜を最 外層とし、アスペクト比 3以上、配向性指数 TC(311)、 TC(220)、 TC(422)のいずれかが 最大値をとる柱状組織の TiCN膜を内層に具える試料 5-1〜5-12、 5-16〜5-19、 5-21 は、他の試料に比較して、潤滑性に優れると共に、優れた耐摩耗性を有することがわ かる。
[0071] また、表 11に示す結果から、最外層は、 0.03 m以上、全体膜厚は 0.1 μ m以上 30 m以下が好ましいことがわかる。更に、最外層は、内層の合計厚みの 1/2以下が好 ましいことがわ力る。
[0072] 上記試料 5-1〜5-21の全てのチップを切断し、最外層において、刃先稜線部近傍 で被削材と接触する箇所の面粗さを基準長さ 5 μ mで測定した結果、試料 5-21を除く すべてのチップが Rmaxで 1.3 μ m以下となっていたが、試料 5- 21は Rmaxで 1.7 μ mで あった。そこで、試料 5-21の最外層において刃先稜線部近傍で被削材と接触する箇 所を # 1500のダイヤモンドペーストで研磨して、同様の方法で研磨後の面粗さを測 定したところ、 Rmaxで 0.52 mとなっていた。この研磨したチップを用いて同じ切削条 件で切削試験を行った結果、工具寿命は 24minとなった。これは、刃先稜線部近傍 において被削材と接触する箇所の凹凸が減り、切削抵抗が下がったためであると考 えられる。また、試料 5-3において同様に面粗さを測定したところ、 Rmaxで 0.76 /z mで あつたが、上記と同様の方法で刃先を研磨し、再度切削すると工具寿命は 48minとな り、大幅に改善された。 [0073] (試験例 1-6')
上記試料 5-1〜5-21と同様の表面被覆チップを作製し、以下の切削条件で切削試 験を行い、所定切削長 (500m)におけるクレータ摩耗量 (面積: mm2)を測定した。
被削材: S50C
速 度: V=250m/min
送 り: f=0.3mm/rev.
切込み: d= 1.5mm
切削油:なし
その結果、試料 5-1〜5-12、 5-16〜5-19、 5-21は、その他の試料と比較してクレー タ摩耗量が少なかった。例えば、試料 5-4,5-5,5-6はそれぞれ、 0.3mm2, 0.27mm2 , 0.29mm2であった。
[0074] (試験例 1-7)
基材を下記に代えて、表 11の試料 5-2と同様の組成の被覆層を公知の PVD法にて 形成した後、イオン注入法を用いて塩素を最外層に含有させた表面被覆チップを作 製し、試験例 1-6と同様の切削条件で切削試験を実施した。いずれも最外層の塩素 の含有量は、 0.18原子％とした。
1 JIS規格: P20サーメット製の切削チップ (住友電工ハードメタル (株)製 T1200A)
2 セラミック製の切削チップ (住友電工ノヽードメタル (株)製 W80)
3 窒化珪素製の切削チップ (住友電エノ、一ドメタル (株)製 NS260)
4 立方晶型窒化硼素切削チップ (住友電工ハードメタル (株)製 BN250)
その結果、いずれの被覆チップも潤滑性に優れると共に、耐摩耗性に優れることが 確認できた。このことから、上記超硬合金基材を用いた場合と同様に工具寿命の向 上を実現できることがわかる。
実施例 2
[0075] 以下、エンドミルを例にとって具体的に説明する。
(試験例 2-1)
JIS Z20種相当の超硬合金製 φ 10mm； 2枚刃スクェア型エンドミル基材 (ソリッドタイ プエンドミル)を準備し、この基材のうち、切削に関与する部位 (ボディ)の表面に化学 的蒸着法である熱 CVD法を用いて被覆層を形成した。本試験では、基材側から順に 、内層として、 TiN(0.5)、 TiCN(4)、 ΉΒΝ(0.5)、 κ - Al Ο (1)を形成し、最外層として
2 3
Α1Ν(1.5)を形成した (括弧内の数値は膜厚である (単位; z m》。表 12に各膜の成膜条 件の一例を示す。具体的には反応ガスの組成 (容量％)、成膜時の圧力 (kPa)、成膜 温度 (°C)を示す。膜厚は、成膜時間により調整した。そして、最外層を形成する A1N 膜は、表 12に示すように成膜条件を変化させることで、塩素含有量が異なる試料を作 製した。表 13に最外層の塩素含有量を示す。具体的には、最外層中に 0超 0.5原子 %以下の塩素を含有するもの、同 0.5原子％超の塩素を含有するもの、同塩素を含 有しないものを作製した。塩素の含有量は、表 12に示すように反応ガスのうち塩ィ匕水 素 (HC1)の比率を変化させることで変化させた。また、塩ィ匕水素の量により、適宜成膜 時の圧力、成膜温度を変化させた。更に、最外層中に 0超 0.5原子％以下の塩素を 含有する試料にお!、て、最外層の刃先稜線部分近傍で被削材と接触する箇所の面 粗さを調べたところ、いずれも工具断面力 観察する方法によって測定される基準長 さ 5 μ !^こ対して1¾1&カ .3 μ m以下であった。具体的には、例えば、試料 6-2では 0.6 At mであった。塩素の含有量は、 XPS(X- ray Photoelectron Spectroscopy)にて測定 したが、組成の確認は、透過電子顕微鏡に併設の微小領域 EDX(Energy Dispersive X— ray Spectroscopy)力、^ Γや、 SIMS(Seconaary Ion Mass Spectrometryノ【こ って もできる。また、試料ごとに各膜のヌープ硬度を調べたところ、最外層である A1N膜は いずれも、内層の TiCN膜よりも低いことを確認した。
[表 12]
Figure imgf000030_0001
[0077] [表 13]
Figure imgf000030_0002
[0078] 表 13に示す最外層を有する表面被覆エンドミルを用いて、表 14に示す切削条件に て切削性能を調べてみた。切削条件 1では、一定加工長 (150m)での摩耗量を測定し た。本試験では、外周刃における逃げ面摩耗量 ( /z m)を測定した。切削条件 2では、 一定の穴加工（Φ 10mm)を行い、穴加工時に加わったトルク値を測定すると共に、穴 加工後に一定の溝カ卩ェ (50mm)に移行した際の状況を調べてみた。試験の結果を表 15に示す。 [0079] [表 14]
Figure imgf000031_0001
[0080] [表 15]
Figure imgf000031_0002
[0081] その結果、表 15に示すように最外層として、 0超 0.5原子％以下の塩素を含む窒化 アルミニウム膜を具え、特定組成の膜を内層に具える試料 6-1〜6-3は、摩耗量が少 なぐドライ加工であっても、優れた潤滑性を発揮して、切削抵抗を下げることで耐欠 損性を向上していることがわかる。また、これらの試料 6-1〜6-3は、潤滑性に優れた 被覆層を具えることで、切屑の流出性が良好であり、その結果トルク値の上昇が抑え られて耐折損性が向上され、問題なく加工することができた。これに対し、試料 6-4、 6-5では、トルク値が増大し、溝加工に移る際、折損が生じた。更に、これらの試料 6-1〜6-3は、耐溶着性にも優れ、被覆層の剥離などが生じなつた。これらのことから 、試料 6-1〜6-3は、工具寿命の延命化を実現できることがわかる。
[0082] (試験例 2-2)
試験例 2-1で用いた超硬合金製エンドミル基材と同様のものを用意し、切削に関与 する部位の表面に熱 CVD法を用いて表 12に示す成膜条件 (ガス組成、圧力、温度） で被覆層を形成した。表 16に被覆層の組成、膜厚、被覆層全体の膜厚 (全膜厚)を示 す。なお、表 16において、基材に近い方から順に、第一膜、第二膜…としている。
[表 16]
Figure imgf000033_0001
[0084] 表 16に示す被覆層を有する表面被覆エンドミルを用いて、以下に示す切削条件に て側面加工を行い、一定力卩工長 (100m)での摩耗量を測定した。本試験では、外周刃 における逃げ面摩耗量 ( m)を測定した。試験の結果も表 16に示す。
[0085] エンドミル 側面加工
被削材: SUS304
速 度: V= 130m/min
1刃当たり送り: ft = 0.03mm
軸方向切込み: Ad= 8mm
半径方向切込み: Rd=0.16mm
切削油:なし
加工距離: 100m
[0086] その結果、表 16に示すように特定量の塩素を含有する窒化系アルミニウム膜を最 外層とし、特定組成の膜からなる内層を具える試料 7-1〜7-12、 7-16〜7-19、 1-22、 7-23は、他の試料に比べて、潤滑性に優れると共に、優れた耐摩耗性を有すること がわカゝる。
[0087] また、表 16に示す結果から、最外層は、 0.03 m以上、全体膜厚は 0.1 μ m以上 24 m以下が好ましいことがわかる。更に、最外層は、内層の合計厚みの 1/2以下が好 ましいことがわ力る。
[0088] 上記試料 7-1〜7-23の全てのエンドミルを切断し、最外層において、外周刃の刃先 稜線部近傍で被削材と接触する箇所の面粗さを基準長さ 5 μ mで測定した結果、試 料 7-22を除くすべてのエンドミルが Rmaxで 1.3 μ m以下となっていたが、試料 7-22は Rmaxで 1.7 /z mであった。そこで、試料 7-22の最外層において外周刃の刃先稜線部 近傍で被削材と接触する箇所を # 1500のダイヤモンドペーストで研磨して、同様の 方法で研磨後の面粗さを測定したところ、 Rmaxで 0.52 mとなっていた。この研磨し たエンドミルを用いて同じ切削条件で側面加工を行った結果、逃げ面摩耗量は 65 μ mとなった。これは、刃先稜線部近傍において被削材と接触する箇所の凹凸が減り、 切削抵抗が下がったためであると考えられる。また、試料 7-1において同様に面粗さ を測定したところ、 Rmaxで 0.9 mであった力 上記と同様の方法で刃先を研磨し、再 度切削すると逃げ面摩耗量は 35 mとなり、大幅に改善された。
[0089] 更に、試料 7-23は、最外層の膜硬度が内層の膜硬度よりも高くなるように被覆層を 形成した。そして、上記試料 7-1〜7-20,7-22,7-23において、被覆層を構成する各膜 の硬度を測定したところ、試料 7-23を除く全てのエンドミルで最外層の膜硬度が内層 の少なくとも 1膜よりも低くかったが、試料 7- 23は、最外層の膜硬度が内層の膜硬度よ りも高かった。このため、試料 7-23は、切削性能が低下したと考えられる。
[0090] (試験例 2-2')
上記試料 7-1〜7-23と同様の表面被覆エンドミルを作製し、以下の切削条件で切 削試験を行い、所定切削長 (50m)におけるクレータ摩耗量 (幅)を測定した。測定対象 は、外周刃におけるクレータ摩耗の幅とした。エンドミルは、工具形状が 3次元形状で あるため、上記幅は、斜め方向から測定した。具体的には、一定角度から観察してク レータ摩耗幅を測定した。そして、評価は、この測定値をもとに試料間の相対比較に て行った。
被削材: S50C
速 度: V= 100m/min
送 り: f=0.05mm/t
切込み: Ad= 10mm Rd=0.6mm
切削油:なし (エアブロー）
その結果、試料 7-1〜7-12、 7-16〜7-19、 1- 1、 7-23は、その他の試料と比較して クレータ摩耗量が少な力つた。例えば、試料 7-14の摩耗幅を 1とすると、試料 7-3,7-6 はそれぞれ、 0.44、 0.52であった。
[0091] (試験例 2-3)
基材を下記に変えて、表 16の試料 7-2、 7-13と同様の組成の被覆層を公知の PVD 法にて形成し、表面被覆エンドミルを作製した。試料 7-2と同様の組成の被覆層を具 えるエンドミルにおいては、被覆層を形成した後、イオン注入法を用いて塩素を最外 層に含有させた表面被覆エンドミルを作製し、試験例 2-2と同様の切削条件で側面 加工を実施した。いずれも被覆層は、切削に関与する部位に形成した。また、試料 7-2の被覆層を形成した試料にはいずれも、最外層の塩素の含有量を 0.2原子％とし た。
1 JIS Z20種相当の超硬合金製のロウ付けエンドミル基材 (刃部が超硬合金製） 2 JIS規格: P20サーメット製 φ 10mm； 2枚刃スクェア型エンドミル基材
3 立方晶型窒化硼素製 (住友電エノ、一ドメタル (株)製 BN300)のロウ付けボールミル 基材 (刃部が立方晶型窒化硼素製）
その結果、試料 7-2の被覆層を形成した表面被覆エンドミルはいずれも、潤滑性に 優れると共に、耐摩耗性に優れ、従来品である試料 7-13の被覆層を具えるエンドミル と比較して、 2倍以上の工具寿命が得られたことが確認できた。
(試験例 2-4)
JIS Z20種相当の超硬合金製 φ 10mm； 2枚刃スクェア型エンドミル基材 (ソリッドタイ プエンドミル)を準備し、この基材のうち、切削に関与する部位 (ボディ)の表面に化学 的蒸着法である熱 CVD法を用いて被覆層を形成した。本試験では、基材側から順に 、内層として、 TiN(0.5)、柱状組織 TiCN(4)、 ΉΒΝ(0.5)、 κ -Al O (1)を形成し、最外層
2 3
として A1N(1.5)を形成した (括弧内の数値は膜厚である (単位/ z m》。表 17に各膜の成 膜条件の一例を示す。具体的には反応ガスの組成 (容量％)、成膜時の圧力 (kPa)、 成膜温度 (°C)を示す。膜厚は、成膜時間により調整した。また、本試験において TiCN 膜は、アスペクト比が 4.1の柱状組織を有し、配向性指数 TCのうち (311)面が最大値と なるように成膜させた。具体的には、反応ガスに CH CN
3 を用い、温度: 900°C、圧力：
8kPaとすると共に、 TiCN膜の下層に形成した ΉΝ膜の表面粗さ Rmax (基準長さ 5 m) 力 S0.1 μ m程度となるように TiN膜の成膜条件 (ガス組成、圧力、温度)を定めた。そして 、最外層を形成する A1N膜は、表 17に示すように成膜条件を変化させることで、塩素 含有量が異なる試料を作製した。表 18に最外層の塩素含有量を示す。具体的には、 最外層中に 0超 0.5原子％以下の塩素を含有するもの、同 0.5原子％超の塩素を含有 するもの、同塩素を含有しないものを作製した。塩素の含有量は、表 17に示すように 反応ガスのうち塩ィ匕水素 (HC1)の比率を変化させることで変化させた。また、塩化水素 の量により、適宜成膜時の圧力、成膜温度を変化させた。更に、最外層中に 0超 0.5 原子％以下の塩素を含有する試料において、最外層の刃先稜線部分近傍で被削材 と接触する箇所の面粗さを調べたところ、 V、ずれも工具断面から観察する方法によつ て測定される基準長さ 5 μ mに対して Rmax力 1.3 μ m以下であった。具体的には、例え ば、試料 8- 2では 0.6 μ mであった。塩素の含有量は、 XPS(X- ray Photoelectron Spectroscopy)にて測定した力 組成の確認は、透過電子顕微鏡に併設の微小領域 EDX(Energy Dispersive X- ray Spectroscopy)分析や、 biMS(Secondary Ion Mass
Spectrometry)〖こよってもでさ 。
[表 17]
Figure imgf000037_0001
※ェ：塩素含有量が 0超 0. 5原子％以下のもの
※？：塩素を含まないもの
※3：塩素含有量が 0. 5原子％超のもの [表 18] 試料 塩素含有量
最外層
No. 原子％
8-1 A1 0. 03
8-2 A1N m 0. 18
8-3 A1N ※！ 0. 48
8-4 A1N 0
8-5 A1N 0. 98
[0095] 表 18に示す最外層を有する表面被覆エンドミルを用いて、表 19に示す切削条件に て切削性能を調べてみた。切削条件 Iでは、一定加工長 (150m)での摩耗量を測定し た。本試験では、外周刃における逃げ面摩耗量 (/z m)を測定した。切削条件 IIでは、 一定の穴加工（Φ 10mm)を行い、穴加工時に加わったトルク値を測定すると共に、穴 加工後に一定の溝カ卩ェ (50mm)に移行した際の状況を調べてみた。試験の結果を表 20に示す。
[0096] [表 19]
Figure imgf000038_0001
[0097] [表 20]
Figure imgf000038_0002
その結果、表 20に示すように最外層として、 0超 0.5原子％以下の塩素を含む窒化 アルミニウム膜を具え、内層に特定の TiCN膜を具える試料 8-1〜8-3は、摩耗量が少 なぐドライ加工であっても、優れた潤滑性を発揮して、切削抵抗を下げることで耐摩 耗性、耐欠損性を向上していることがわかる。また、これらの試料 8-1〜8-3は、潤滑 性に優れた被覆層を具えることで、切屑の流出性が良好であり、その結果トルク値の 上昇が抑えられて耐折損性が向上され、問題なく加工することができた。これに対し 、試料 8-4、 8-5では、トルク値が増大し、溝加工に移る際、折損が生じた。更に、これ らの試料 8-1〜8-3は、耐溶着性にも優れ、被覆層の剥離などが生じなつた。これらの ことから、試料 8-1〜8-3は、工具寿命の延命化を実現できることがわかる。
[0099] (試験例 2-5)
試験例 2-4で用いた超硬合金製エンドミル基材と同様のものを用意し、切削に関与 する部位の表面に熱 CVD法を用いて表 17に示す成膜条件 (ガス組成、圧力、温度） で被覆層を形成した。本試験では、基材側から順に、 TiN(0.5)、柱状組織 TiCN(4)又 は粒状組織 TiCN(4)、 TiBN(0.5)、 Al
Figure imgf000039_0001
において試料 8-3)を形成した (括弧内の数値は膜厚である (単位; z m》。膜厚は、成膜 時間により調整した。また、本試験において柱状組織 TiCN膜は、表 17に示すよう〖こ 成膜時の圧力と成膜温度とを変化させると共に、 TiCN膜の下層に形成した ΉΝ膜の 表面粗さやガス条件を変化させることで、アスペクト比、配向性指数の最大値をとる 面を変化させた。具体的には、反応ガスに CH CNを用い、ガス温度 920°C、圧力 6kPa
3
とし、反応ガスである CH CNを徐々に導入することで、 TiCN膜のアスペクト比を 3以上
3
とした。また、例えば、 TiCN膜の配向性指数の最大値 TC(422)とするには、基材の表 面粗さ Rmax (基準長さ 5 μ m)を 0.09 μ mに制御すると共に、この基材の外側 (基材から 離れる側)にアスペクト比の制御を行いながら TiCN膜を成膜することで得られた。更 に、最外層の刃先稜線部分近傍で被削材と接触する箇所の面粗さが工具断面から 観察する方法によって測定される基準長さ 5 μ mに対して Rmax力 μ mとなるように 、全ての試料において、最外層を形成後、最外層の表面に研磨処理を施した。表 21 に TiCN膜の組織形態、アスペクト比、配向性指数 TCが最大値を示す面を示す。
[0100] [表 21] 内層 TiCN膜
試料 逃げ面摩耗量
TCの
No. 組織形態 ァスへ"タト比 (外周部 /z m)
最大値面
9-1 柱状組織 5. 3 311 72
9-2 柱状組織 6. 8 422 64
9-3 柱状組織 3. 3 220 85
9-4 柱状組織 2. 4 220 140
9-5 柱状組織 3. 8 420 182
9-6 粒状組織 ― 311 255 (欠け）
[0101] 表 21に示す TiCN膜を内層に有する表面被覆エンドミルを用いて、以下に示す切削 条件にて側面加工を行い、一定加工長 (80m)での外周部の逃げ面摩耗量 ( m)を測 定した。試験の結果も表 21に示す。
[0102] エンドミル 側面加工
被削材: SKD11
速 度： V=250m/min
1刃当たり送り： ft = 0.05mm
軸方向切込み： Ad = 8mm
半径方向切込み： Rd=0.15mm
切削油：なし
加工距離： 80m
[0103] その結果、表 21に示すように内層として TiCN膜を具える場合、柱状組織を有するも のは、耐摩耗性により優れることがわかる。特に、内層にアスペクト比 3以上、配向性 指数 TC(311)、 TC(220)、 TC(422)のいずれかが最大値をとる柱状組織の TiCN膜を具 える試料 9-1〜9-3は、ドライカ卩ェであっても、更に耐摩耗性に優れていることがわか る。このように摩耗量が減少したのは、潤滑性に優れる最外層と内層として特に耐摩 耗性に優れる特定の TiCN膜とを具えているためであると考えられる。
[0104] (試験例 2-6)
試験例 2-4で用いた超硬合金製エンドミル基材と同様のものを用意し、切削に関与 する部位の表面に熱 CVD法を用いて表 17に示す成膜条件 (ガス組成、圧力、温度） で被覆層を形成した。本試験において、柱状組織 TiCN膜は、アスペクト比が 3以上、 配向性指数 TC(311)、 TC(220)、 TC(422)のいずれかが最大値をとるように成膜条件を 制御した。表 22に被覆層の組成、膜厚、被覆層全体の膜厚 (全膜厚)を示す。なお、 表 22において、基材に近い方から順に、第一膜、第二膜…としている。
[表 22]
Figure imgf000042_0001
[0106] 表 22に示す被覆層を有する表面被覆エンドミルを用いて、以下に示す切削条件に て側面加工を行い、一定力卩工長 (100m)での摩耗量を測定した。本試験では、外周刃 における逃げ面摩耗量 ( m)を測定した。試験の結果も表 22に示す。
[0107] エンドミル 側面加工
被削材: SUS304
速 度： V= 144m/min
1刃当たり送り： ft = 0.03mm
軸方向切込み： Ad = 8mm
半径方向切込み： Rd=0.16mm
切削油：なし
加工距離： 100m
[0108] その結果、表 22に示すように特定量の塩素を含有する窒化系アルミニウム膜を最 外層とし、アスペクト比 3以上、配向性指数 TC(311)、 TC(220)、 TC(422)のいずれかが 最大値をとる柱状組織の TiCN膜を内層に具える試料 10-1〜10-12、 10-16〜10-19、 10-21は、その他の試料と比較して、潤滑性に優れると共に、優れた耐摩耗性を有す ることがゎカゝる。
[0109] また、表 22に示す結果から、最外層は、 0.03 m以上、全体膜厚は 0.1 μ m以上 24 m以下が好ましいことがわかる。更に、最外層は、内層の合計厚みの 1/2以下が好 ましいことがわ力る。
[0110] 上記試料 10-1〜10- 21の全てのエンドミルを切断し、最外層において、外周刃の刃 先稜線部近傍で被削材と接触する箇所の面粗さを基準長さ 5 μ mで測定した結果、 試料 10- 21を除くすべてのエンドミルが Rmaxで 1.3 μ m以下となっていたが、試料 10-21は Rmaxで 1.6 /z mであった。そこで、試料 10-21の最外層において外周刃の刃 先稜線部近傍で被削材と接触する箇所を # 1500のダイヤモンドペーストで研磨して 、同様の方法で研磨後の面粗さを測定したところ、 Rmaxで 0.61 mとなっていた。こ の研磨したエンドミルを用いて同じ切削条件で側面加工を行った結果、逃げ面摩耗 量は 48 mとなった。これは、刃先稜線部近傍において被削材と接触する箇所の凹 凸が減り、切削抵抗が下がったためであると考えられる。 [0111] (試験例 2-6')
上記試料 10-1〜10-21と同様の表面被覆エンドミルを作製し、以下の切削条件で 切削試験を行い、所定切削長 (50m)における外周刃のクレータ摩耗量 (幅)を測定した 。クレータ摩耗幅の測定は、試料 7-1〜7-23の表面被覆エンドミルを用いた切削試験 (試験例 2-2')と同様にして行った。
被削材: S50C
速 度: V= 120m/min
送 り: f=0.05mm/t
切込み: Ad= 10mm Rd=0.6mm
切削油:なし (エアブロー）
その結果、試料 10-1〜10-12、 10-16〜10-19、 10-21は、その他の試料と比較して クレータ摩耗量が少な力つた。例えば、試験例 2-2'の試料 7-14の摩耗幅を 1とすると 、試料 10-3, 10-6はそれぞれ、 0.39、 0.42であった。
[0112] (試験例 2-7)
基材を下記に代えて、表 22の試料 10-2、 10-13と同様の組成の被覆層を公知の PVD法にて形成し、表面被覆エンドミルを作製した。試料 10-2と同様の組成の被覆 層を具えるエンドミルにおいては、被覆層を形成した後、イオン注入法を用いて塩素 を最外層に含有させた表面被覆エンドミルを作製し、試験例 2-6と同様の切削条件で 側面加工を実施した。いずれも被覆層は、切削に関与する部位に形成した。また、試 料 10-2の被覆層を形成した試料にはいずれも、最外層の塩素の含有量を 0.2原子％ とした。
1 JIS Z20種相当の超硬合金製のロウ付けエンドミル基材 (刃部が超硬合金製） 2 JIS規格： P20サーメット製 φ 10mm； 2枚刃スクェア型エンドミル基材
3 立方晶型窒化硼素製 (住友電エノ、一ドメタル (株)製 BN300)のロウ付けボールミル 基材 (刃部が立方晶型窒化硼素製）
その結果、試料 10-2の被覆層を形成した表面被覆エンドミルはいずれも、潤滑性 に優れると共に、耐摩耗性に優れ、従来品である試料 10-13の被覆層を具えるエンド ミルと比較して、 2倍以上の工具寿命が得られたことが確認できた。 実施例 3
[0113] 以下、ドリルを例にとって具体的に説明する。
(試験例 3-1)
JIS K10種相当の超硬合金製 φ 8mm ;ソリッドドリル基材を準備し、この基材のうち、 切削に関与する部位 (ボディ)の表面に化学的蒸着法である熱 CVD法を用いて表 12 に示す成膜条件により被覆層を形成した。本試験では、基材側から順に、内層として 、 TiN(0.5)、 TiCN(4)、 TiBN(0.5)、 κ -Al Ο (1)を形成し、最外層として Α1Ν(1.5)を形成
2 3
した (括弧内の数値は膜厚である (単位/ z m》。膜厚は、成膜時間により調整した。そし て、最外層を形成する A1N膜は、表 12に示すように成膜条件を変化させることで、塩 素含有量が異なる試料を作製した。表 23に最外層の塩素含有量を示す。具体的に は、最外層中に 0超 0.5原子％以下の塩素を含有するもの、同 0.5原子％超の塩素を 含有するもの、同塩素を含有しないものを作製した。塩素の含有量は、表 12に示すよ うに反応ガスのうち塩ィ匕水素 (HC1)の比率を変化させることで変化させた。また、塩ィ匕 水素の量により、適宜成膜時の圧力、成膜温度を変化させた。更に、最外層中に 0超 0.5原子％以下の塩素を含有する試料において、最外層の刃先稜線部分近傍で被 削材と接触する箇所の面粗さを調べたところ、 V、ずれも工具断面から観察する方法 によって測定される基準長さ 5 μ !^こ対して1¾1&カ .3 μ m以下であった。具体的には 、例えば、試料 11-2では 0.6 μ mであった。塩素の含有量は、 XPS(X-ray
Photoelectron Spectroscopy)にて測定した。また、試料ごとに各膜のヌープ硬度を調 ベたところ、最外層である A1N膜はいずれも、内層の TiCN膜よりも低力つた。
[0114] [表 23]
Figure imgf000045_0001
[0115] 表 23に示す最外層を有する表面被覆ドリルを用いて、表 24に示す切削条件にて切 削性能を調べてみた。切削条件 3では、工具折損までの加工穴数を調べた。切削条 件 4では、穴の真円度を調べた。試験の結果を表 25に示す。
[0116] [表 24]
Figure imgf000046_0001
[0117] [表 25]
Figure imgf000046_0002
[0118] その結果、表 25に示すように最外層として、 0超 0.5原子％以下の塩素を含む窒化 アルミニウム膜を具え、特定組成の膜を内層に具える試料 11-1〜11-3は、切屑の流 出性に優れると共に、切れ刃の損傷が小さく切れ味が長期に亘り維持されるため、折 損に至るまでの加工数が大幅に延長されていた。このことから、工具寿命が延長され ていることがわかる。また、これらの試料 11-1〜11-3は、加工穴の真円度も高ぐ高精 度な加工が可能であることがわかる。更に、これらの試料 11-1〜11-3は、耐溶着性に も優れ、被覆層の剥離などが生じなつた。
[0119] (試験例 3-2)
試験例 3-1で用いた超硬合金製ドリル基材と同様のものを用意し、切削に関与する 部位の表面に熱 CVD法を用いて表 12に示す成膜条件 (ガス組成、圧力、温度)で表 16に示す被覆層と同様に形成した。
[0120] 表 16に示す被覆層を有する表面被覆ドリルを用いて、以下に示す切削条件にて穴 あけ加工を行い、工具寿命となるまでの加工穴数を測定した。工具寿命は、先端部 の切刃の逃げ面摩耗量が 0.3 mにとなったとき、又は折損などによりそれ以上カロェ ができなくなったときとした。試験の結果を表 26に示す。
[0121] ドリル 穴あけ加工 (止まり穴）
被削材: S50C
速 度: V= 100m/min
送 り 0.2mm/rev.
穴深さ: 24mm(L/D=3)
切削油:エアブロー
[0122] [表 26]
Figure imgf000047_0001
[0123] その結果、表 26に示すように特定量の塩素を含有する窒化系アルミニウム膜を最 外層とし、特定組成の膜からなる内層を具える試料 12-1〜12-12、 12-16〜12-19、 12-22、 12-23は、その他の試料と比較して、潤滑性に優れると共に、優れた耐摩耗 性を有することがわかる。
[0124] また、表 26に示す結果から、最外層は、 0.03 m以上、全体膜厚は 0.1 μ m以上 24 m以下が好ましいことがわかる。更に、最外層は、内層の合計厚みの 1/2以下が好 ましいことがわ力る。
[0125] 上記試料 12-1〜12- 23の全てのドリルを切断し、最外層において、外周刃の刃先 稜線部近傍で被削材と接触する箇所の面粗さを基準長さ 5 μ mで測定した結果、試 料 12- 22を除くすべてのドリルが Rmaxで 1.3 μ m以下となっていたが、試料 12-22は Rmaxで 1.9 /z mであった。そこで、試料 12-22について、試料 7-22と同様に、最外層に おいて外周刃の刃先稜線部近傍で被削材と接触する箇所を # 1500のダイヤモンド ペーストで研磨して、上記と同様の方法で研磨後の面粗さを測定したところ、 Rmaxで 0.45 mとなっていた。この研磨したドリルを用いて同じ切削条件で穴あけ力卩ェを行 つた結果、加工数は 4500となった。これは、刃先稜線部近傍において被削材と接触 する箇所の凹凸が減り、切削抵抗が下がったためであると考えられる。また、試料 12-1において同様に面粗さを測定したところ、 Rmaxで 0.78 mであった力 上記と同 様の方法で刃先を研磨し、再度穴あけ加工を行うと、加工数は 5000となり、大幅に改 善された。
[0126] 更に、試料 12-23は、最外層の膜硬度が内層の膜硬度よりも高くなるように被覆層 を形成した。そして、上記試料 12-1〜12-20,12- 22,12-23において、被覆層を構成す る各膜の硬度を測定したところ、試料 12-23を除く全てのドリルで最外層の膜硬度が 内層の少なくとも 1膜よりも低くかったが、試料 12-23は、最外層の膜硬度が内層の膜 硬度よりも高力つた。このため、試料 12-23は、試料 12-1〜12-12と比較して切削性能 が低下したと考えられる。
[0127] (試験例 3-2')
上記試料 12-1〜12-23と同様の表面被覆ドリルを作製し、以下の切削条件で切削 試験を行い、所定穴数 (500穴)におけるクレータ摩耗量 (幅)を測定した。測定対象は 、切刃中央付近におけるクレータ摩耗の幅とし、測定は、試験例 2-2'と同様にして行 つた。そして、評価は、この測定値をもとに試料間の相対比較にて行った。
被削材: S50C (止まり穴）
速 度: V=70m/min
送 り: f=0.25mm/rev.
穴深さ: 40mm(L/D=5)
切削油:ミスト (水溶性切削液）
その結果、試料 12-1〜12-12、 12-16〜12-19、 12-22、 12-23は、その他の試料と比 較してクレータ摩耗量が少な力つた。例えば、試料 12-14の摩耗幅を 1とすると、試料 12-3, 12-9はそれぞれ、 0.32、 0.38であった。 [0128] (試験例 3-2")
上記試験では、ドライカ卩ェにて行った力 試料 12-1〜12-23と同様のドリルを用意し 、切削条件のうち、穴深さを 40mm(L/D = 5)、切削油:エアブローをウエット加工、ミスト 加工に変更して穴あけ加工を行い、上記と同様に加工穴数を測定してみた。その結 果、特定量の塩素を含有する窒化系アルミニウム膜を最外層とし、特定組成の膜か らなる内層を具える試料は、潤滑性及び耐摩耗性に優れ、長寿命であった。
[0129] (試験例 3-3)
基材を下記に代えて、表 16の試料 7-2、 7-13と同様の組成の被覆層を公知の PVD 法にて形成し、表面被覆ドリルを作製した。試料 7-2と同様の組成の被覆層を具える ドリルにおいては、被覆層を形成した後、イオン注入法を用いて塩素を最外層に含 有させた表面被覆ドリルを作製し、試験例 3-2と同様の切削条件 (ドライ加工)で穴あ け加工 (止まり穴)を実施した。いずれも被覆層は、切削に関与する部位に形成した。 また、試料 7-2の被覆層を形成した試料には、最外層の塩素の含有量を 0.2原子％と した。
1 高速度工具鋼製ドリル基材 (ソリッドタイプ）
その結果、試料 7-2の被覆層を具える表面被覆ドリルは、潤滑性に優れると共に、 耐摩耗性に優れ、従来品である試料 7-13の被覆層を具えるドリルと比較して、 3倍以 上の工具寿命が得られたことが確認できた。
[0130] (試験例 3-4)
JIS K10種相当の超硬合金製 φ 8mm ;ソリッドドリル基材を準備し、この基材のうち、 切削に関与する部位 (ボディ)の表面に化学的蒸着法である熱 CVD法を用いて表 17 に示す成膜条件により被覆層を形成した。本試験では、基材側から順に、内層として 、 TiN(0.5)、柱状組織 TiCN(4)、 TiBN(0.5)、 κ - Al O (1)を形成し、最外層として
2 3
A1N(1.5)を形成した (括弧内の数値は膜厚である (単位； z m》。膜厚は、成膜時間によ り調整した。また、本試験において TiCN膜は、アスペクト比が 4.2の柱状組織を有し、 配向性指数 TCのうち (311)面が最大値となるように成膜させた。具体的には、反応ガ スに CH CNを用い、温度： 900°C、圧力： 8kPaとすると共に、 TiCN膜の下層に形成し
3
た TiN膜の表面粗さ Rmax (基準長さ 5 μ m)が 0.1 μ m程度となるように TiN膜の成膜条 件 (ガス組成、圧力、温度)を定めた。そして、最外層を形成する A1N膜は、表 17に示 すように成膜条件を変化させることで、塩素含有量が異なる試料を作製した。表 27に 最外層の塩素含有量を示す。具体的には、最外層中に 0超 0.5原子％以下の塩素を 含有するもの、同 0.5原子％超の塩素を含有するもの、同塩素を含有しないものを作 製した。塩素の含有量は、表 17に示すように反応ガスのうち塩ィ匕水素 (HC1)の比率を 変化させることで変化させた。また、塩ィ匕水素の量により、適宜成膜時の圧力、成膜 温度を変化させた。更に、最外層中に 0超 0.5原子％以下の塩素を含有する試料に ぉ 、て、最外層の刃先稜線部分近傍で被削材と接触する箇所の面粗さを調べたとこ ろ、いずれも工具断面から観察する方法によって測定される基準長さ 5 mに対して Rmaxが 1.3 μ m以下であった。具体的には、例えば、試料 13- 2では 0.6 μ mであった。 塩素の含有量は、 XPS(X- ray Photoelectron Spectroscopy)にて測定した。
[0131] [表 27]
Figure imgf000050_0001
[0132] 表 27に示す最外層を有する表面被覆ドリルを用いて、表 28に示す切削条件にて切 削性能を調べてみた。切削条件 IIIでは、工具折損までの加工穴数を調べた。切削条 件 IVでは、穴の真円度を調べた。試験の結果を表 29に示す。
[0133] [表 28]
Figure imgf000050_0002
[0134] [表 29] 試料 切削条件 III 切削条件 IV
No. 折損までの 穴入り口の
穴あけ個数 真円度（μ ηι)
500
13-1 以上 3. 8
(折損せず）
500
13-2 以上 1. 9
(折損せず）
500
13-3 以上
(折損せず） 3. 1
13-4 312 15. 3
13-5 250 12. 1
[0135] その結果、表 29に示すように最外層として、 0超 0.5原子％以下の塩素を含む窒化 アルミニウム膜を具え、内層に特定の TiCN膜を具える試料 13-1〜13-3は、切屑の流 出性に優れると共に、切れ刃の損傷が小さく切れ味が長期に亘り維持されるため、折 損に至るまでの加工数が大幅に延長されていた。このことから、工具寿命が延長され ていることがわかる。また、これらの試料 13-1〜13-3は、加工穴の真円度も高ぐ高精 度な加工が可能であることがわかる。更に、これらの試料 13-1〜13-3は、耐溶着性に も優れ、被覆層の剥離などが生じな力つた。
[0136] (試験例 3-5)
試験例 3-4で用いた超硬合金製ドリル基材と同様のものを用意し、切削に関与する 部位の表面に熱 CVD法を用いて表 17に示す成膜条件 (ガス組成、圧力、温度)で被 覆層を形成した。本試験では、基材側から順に、 TiN(0.5)、柱状組織 TiCN(4)又は粒 状組織 TiCN(4)、 TiBN(0.5)、 Al O - ZrO (1)とし、最外層として ΑΙΝ Ι.δΧ表 18にお
2 3 2
いて試料 8- 3と同様)を形成した (括弧内の数値は膜厚である (単位; z m》。膜厚は、成 膜時間により調整した。また、本試験において柱状組織 TiCN膜は、表 17に示すよう に成膜時の圧力と成膜温度とを変化させると共に、 TiCN膜の下層に形成した TiN膜 の表面粗さやガス条件を変化させることで、アスペクト比、配向性指数の最大値をとる 面を変化させた。具体的には、反応ガスに CH CNを用い、ガス温度 920°C、圧力 6kPa
3
とし、反応ガスである CH CNを徐々に導入することで、 TiCN膜のアスペクト比を 3以上
3
とした。また、例えば、 TiCN膜の配向性指数の最大値 TC(422)とするには、基材の表 面粗さ Rmax (基準長さ)を 0.09 μ mに制御すると共に、この基材の外側 (基材から離れ る側)〖こアスペクト比の制御を行いながら TiCN膜を成膜することで得られた。更に、最 外層の刃先稜線部分近傍で被削材と接触する箇所の面粗さが工具断面から観察す る方法によって測定される基準長さ 5 μ mに対して Rmaxが mとなるように、全ての 試料において、最外層を形成後、最外層の表面に研磨処理を施した。表 30に TiCN 膜の組織形態、アスペクト比、配向性指数 TCが最大値を示す面を示す。
[0137] [表 30]
Figure imgf000052_0001
[0138] 表 30に示す TiCN膜を内層に有する表面被覆ドリルを用いて、以下に示す切削条 件にて穴あけ加工を行い、工具寿命となるまでの加工穴数を測定した。工具寿命は 、先端部の切刃の逃げ面摩耗量カ^ .3 mになったとき、又は折損などによりそれ以 上カ卩ェができなくなったときとした。試験の結果も表 30に示す。
[0139] ドリル 穴あけカ卩ェ (貫通穴）
被削材:被削材: S50C
速 度： V=80m/min
送 り： f=0.2mm/rev.
穴深さ： 40mm(L/D = 5)
切削油：ミスト (水溶性切削液）
[0140] その結果、表 30に示すように内層として TiCN膜を具える場合、柱状組織を有するも のは、耐摩耗性により優れることがわかる。特に、内層にアスペクト比 3以上、配向性 指数 TC(311)、 TC(220)、 TC(422)のいずれかが最大値をとる柱状組織の TiCN膜を具 える試料 14-1〜14-3は、耐摩耗性、耐折損性に優れており、工具寿命が長くなつて いることがわかる。このように工具寿命が長くなつたのは、潤滑性に優れる最外層と内 層として特に耐摩耗性に優れる特定の TiCN膜とを具えているためであると考えられる [0141] (試験例 3-6)
試験例 3-4で用いた超硬合金製ドリル基材と同様のものを用意し、切削に関与する 部位の表面に熱 CVD法を用いて表 17に示す成膜条件 (ガス組成、圧力、温度)で表 22に示す被覆層と同様に形成した。本試験も試験例 2-6と同様に、柱状組織 TiCN膜 は、アスペクト比が 3以上、配向性指数 TC(311)、 TC(220)、 TC(422)のいずれかが最 大値をとるように成膜条件を制御した。
[0142] 表 22に示す被覆層を有する表面被覆ドリルを用いて、以下に示す切削条件にて穴 あけ加工を行い、工具寿命となるまでの加工穴数を測定した。工具寿命は、先端部 の切刃の逃げ面摩耗量が 0.3 mになったとき、又は折損などによりそれ以上力卩ェが できなくなったときとした。試験の結果を表 31に示す。
[0143] ドリル 穴あけ加工 (止まり穴）
被削材: S50C
速 度： V= 120m/min
送 り： M).2mm/rev.
穴深さ： 24mm(L/D=3)
切削油：エアブロー
[0144] [表 31]
Figure imgf000053_0001
[0145] その結果、表 31に示すように特定量の塩素を含有する窒化系アルミニウム膜を最 外層とし、アスペクト比 3以上、配向性指数 TC(311)、 TC(220)、 TC(422)のいずれかが 最大値をとる柱状組織の TiCN膜を内層に具える試料 15-1〜15-12、 15_16〜15-19、 15-21は、従来品に該当する試料 15-13〜15-15、 15-20と比較して潤滑性に優れると 共に、優れた耐摩耗性を有することがわかる。
[0146] また、表 31に示す結果から、最外層は、 0.03 m以上、全体膜厚は 0.1 μ m以上 24 m以下が好ましいことがわかる。更に、最外層は、内層の合計厚みの 1/2以下が好 ましいことがわ力る。
[0147] 上記試料 15-1〜15- 21の全てのドリルを切断し、最外層において、外周刃の刃先 稜線部近傍で被削材と接触する箇所の面粗さを基準長さ 5 μ mで測定した結果、試 料 15-21を除くすべてのドリルが Rmaxで 1.3 μ m以下となっていたが、試料 15-21は Rmaxで 2.0 mであった。そこで、試料 15-21について、試料 10-21と同様に、最外層 にお 、て外周刃の刃先稜線部近傍で被削材と接触する箇所を # 1500のダイヤモン ドペーストで研磨して、上記と同様の方法で研磨後の面粗さを測定したところ、 Rmax で 0.52 mとなっていた。この研磨したドリルを用いて同じ切削条件で穴あけ力卩ェを 行った結果、加工数は 4000となった。これは、刃先稜線部近傍において被削材と接 触する箇所の凹凸が減り、切削抵抗が下がったためであると考えられる。
[0148] (試験例 3-6')
上記試料 15-1〜15-21と同様の表面被覆ドリルを作製し、以下の切削条件で切削 試験を行 、、所定穴数 (500穴)における切刃中央付近でのクレータ摩耗量 (幅)を測定 した。クレータ摩耗幅の測定は、試料 12-1〜12- 23の表面被覆ドリルを用いた切削試 験 (試験例 3-2')と同様にして行った。
被削材: S50C (止まり穴）
速 度: V= 100m/min
送 り: f=0.25mm/rev.
穴深さ: 40mm(L/D=5)
切削油:ミスト (水溶性切削液）
その結果、試料 15-1〜15-12、 15-16〜15-19、 15-21は、その他の試料と比較して クレータ摩耗量が少な力つた。例えば、試験例 3-2'の試料 12-14の摩耗幅を 1とすると 、試料 15-3, 15-9はそれぞれ、 0.29、 0.35であった。 [0149] (試験例 3-6")
上記試験では、ドライカ卩ェにて行った力 試料 15-1〜15-21と同様のドリルを用意し 、切削条件のうち、穴深さを 40mm(L/D = 5)、切削油：エアブローをウエット加工、ミスト 加工に変えて穴あけ加工を行い、上記と同様に加工穴数を測定してみた。その結果 、特定量の塩素を含有する窒化系アルミニウム膜を最外層とし、アスペクト比 3以上、 配向性指数 TC(311)、 TC(220)、 TC(422)のいずれかが最大値をとる柱状組織の TiCN 膜を内層に具える試料は、潤滑性及び耐摩耗性に優れ、長寿命であった。
[0150] (試験例 3-7)
基材を下記に変えて、表 22の試料 10-2、 10-13と同様の組成の被覆層を公知の PVD法にて形成し、表面被覆ドリルを作製した。試料 10-2と同様の組成の被覆層を 具えるドリルにおいては、被覆層を形成した後、イオン注入法を用いて塩素を最外層 に含有させた表面被覆ドリルを作製し、試験例 3-6と同様の切削条件 (ドライ加工)で 穴あけ加工 (止まり穴)を実施した。いずれも被覆層は、切削に関与する部位に形成し た。また、試料 10-2の被覆層を形成した試料には、最外層の塩素の含有量を 0.2原 子％とした。
1 高速度工具鋼製ドリル基材 (ソリッドタイプ）
その結果、試料 10-2の被覆層を具える表面被覆ドリルは、潤滑性に優れると共に、 耐摩耗性に優れ、従来品である試料 10-13の被覆層を具えるドリルと比較して、 3倍 以上の工具寿命が得られたことが確認できた。
産業上の利用可能性
[0151] 本発明表面被覆切削工具は、切削油を使用しないドライ加工やミスト加工、断続切 削などと!/、つた刃先が高温になる加工、深穴あけ力卩ェゃ高溶着被削材の加工と 、つ た加工条件が厳しい切削に適する。また、本発明表面被覆切削工具は、溶着が生じ 易 ヽ条件などで鋼材などの切削に適する。
図面の簡単な説明
[0152] [図 1](A)は、エンドミルの概略を示す正面図、（B)はドリルの概略を示す正面図である 符号の説明 [0153] 1 底刃 2 外周刃 3,7 溝部 4,8 ボディ 5,9 シャンク 6 先端部

Claims

請求の範囲
[1] 基材表面に被覆層を具える表面被覆切削工具において、
前記被覆層は、基材上に形成される内層と、この内層上に形成される最外層からな り、
前記内層は、
周期律表 IVa、 Va、 Via族金属、 Al、 Si、 Bから選ばれる 1種以上の第一元素と、 B、 C、 N、 Oから選ばれる 1種以上の第二元素とからなる化合物力もなり、
前記最外層は、
窒化アルミニウム又は炭窒化アルミニウム力 なり、最外層中に塩素を 0超 0.5原 子％以下含有することを特徴とする表面被覆切削工具。
但し、内層において、 Bのみ力もなる膜は除く。
[2] 最外層は、更に酸素を含有することを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の表面 被覆切削工具。
[3] 内層には、 Tiを含む化合物力 なる膜を具えることを特徴とする請求の範囲第 1項 に記載の被覆切削工具。
[4] 内層には、柱状組織を有する TiCNからなる膜を具えることを特徴とする請求の範囲 第 3項に記載の被覆切削工具。
[5] TiCNからなる膜は、アスペクト比 3以上の柱状組織を有し、結晶の (220)面、（311)面
、（422)面の各配向性指数 TC(220)、 TC(311)、 TC(422)のいずれかが配向性指数の 最大値をとることを特徴とする請求の範囲第 4項に記載の被覆切削工具。
[6] 最外層の膜厚は、内層の合計膜厚の 1/2以下であることを特徴とする請求の範囲 第 1項記載の表面被覆切削工具。
[7] 最外層の膜硬度は、内層を構成する少なくとも一つの膜の硬度よりも低いことを特 徴とする請求の範囲第 1項に記載の表面被覆切削工具。
[8] 最外層にお 、て、刃先稜線部分近傍で被削材と接触する箇所の面粗さが、切削ェ 具断面から観察する方法で測定を行った際、基準長さ 5 μ mに対して Rmaxが 1.3 μ m 以下であることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の表面被覆切削工具。
[9] 基材は、 WC基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶型窒化硼素 焼結体、及び窒化ケィ素焼結体の!、ずれかから構成されることを特徴とする請求の 範囲第 1項に記載の表面被覆切削工具。
[10] 表面被覆切削工具は、スローァウェイチップ、ドリル、エンドミルの 、ずれかであるこ とを特徴とする請求の範囲第 1項〜第 9項のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
[11] 表面被覆切削工具は、スローアウエィチップであり、
最外層の膜厚は、 0.03 m以上 10 m以下、被覆層全体の膜厚は、 0.1 μ m以上 30 μ m以下であることを特徴とする請求の範囲第 1項〜第 9項の 、ずれかに記載の表面 被覆切削工具。
[12] 表面被覆切削工具は、ドリル又はエンドミルであり、
最外層の膜厚は、 0.03 /z m以上 8 /z m以下、被覆層全体の膜厚は、 0.1 μ m以上 24 μ m以下であることを特徴とする請求の範囲第 1項〜第 9項の 、ずれかに記載の表面 被覆切削工具。
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