(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
切削工具基体に４、５、６族の金属元素及びＡｌのうち１種若しくは２種以上より選択された元素とＳｉ元素を含み、非金属元素として少なくともＮ、Ｂ、Ｃ、Ｏのうち１種若しくは２種以上より選択された元素を含むＳｉ含有皮膜を被覆してなる被覆切削工具において、該皮膜は同一相内に高Ｓｉ濃度領域と低Ｓｉ濃度領域を有する相を有することを特徴とする被覆切削工具。
【請求項２】
請求項１記載の被覆切削工具において、該Ｓｉ高濃度領域は、透過型電子顕微鏡による観察で２μｍ２以下であり、同一相内の低Ｓｉ濃度領域と格子が不連続であることを特徴とする被覆切削工具。
【請求項３】
請求項１記載の被覆切削工具において、該Ｓｉ含有皮膜は金属元素としてＴｉ、Ｖ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｙ、Ｎｂのうち１種若しくは２種以上より選択された元素を含み、該Ｓｉ含有皮膜のＳｉ含有量は金属元素成分のみの原子％で５０％未満であることを特徴とする被覆切削工具。
【請求項４】
請求項１記載の被覆切削工具において、該Ｓｉ含有皮膜とは別の少なくとも１層は金属元素として少なくともＡｌとＴｉを含み、非金属元素として少なくともＮを含むＡｌＴｉＮ系膜であることを特徴とする被覆切削工具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は金属材料等の切削加工に使用される被覆切削工具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
切削加工の高能率化の要求に伴い高速マシニングセンターが普及し切削加工は高速化傾向にある。切削工具に被覆される皮膜もＴｉＮ、ＴｉＣＮに変わり、皮膜の耐酸化性を改善したＴｉＡｌＮ皮膜等を被覆した被覆切削工具が一般的である。しかしながら、更に切削加工の高速化に対応すべくＴｉＡｌＮにＳｉを添加し皮膜の耐酸化性の改善を試みた特許第２７９３７７３号公報、ＴｉにＳｉを添加しＴｉＡｌＮ以外の組成系を試みた特開平８−１１８１０６号、特開平９−１１００４号、また窒化物に異相を分散させ耐火性の改善を試みた特許第３１１７９７８号、若しくは窒化物を超多層にし異結晶体により耐摩耗性の改善を試みた特開平７−１３３１１１号、またＳｉを含有する皮膜においてＳｉ３Ｎ４及びＳｉ等の異相からなる独立した相を化合物中に存在させ耐摩耗性の改善を試みた特開２０００−３３４６０４号等に代表される皮膜の改善がなされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来までのＴｉＡｌＮ皮膜をベースにしたＳｉの添加においてはＴｉＡｌＮの精々１．２倍未満の耐酸化性改善にしか至らず汎用的な切削環境下においては効果が認められるものの高速切削加工には十分対応できない。更にはＴｉにＳｉを添加した硬質皮膜においては、Ｓｉ添加により皮膜そのものの耐酸化性及び皮膜の高硬度化による静的な耐摩耗性はＴｉＮよりも改善されるものの著しい改善は認められない。これは単純にＳｉを添加しただけでは固溶体硬質相を形成し、固溶強化による改善が認められない事に起因する為である。また、皮膜が極めて脆くなり、この耐酸化性及び耐摩耗性を十分発揮できないばかりではなく、皮膜内部に発生する圧縮応力も非Ｓｉ含有皮膜と比べ著しく高くなり、この過剰な圧縮応力により成膜直後に剥離が発生してしまい、切削工具に適用するには至っていない。またＳｉ含有皮膜において、異相金属、異相窒化物等を分散させた硬質皮膜は皮膜そのものの耐欠損性が十分ではなく、同時に異相とマトリックスの結晶粒界を介し酸素が拡散する為、耐酸化性が十分であるとは言い難い。この事により、被切削物が高硬度若しくは切削環境が苛酷になるほど膜剥離や酸化進行に起因する異常摩耗及び欠損が生じてしまい実用化には至っていない。このように依然として高速切削加工において十分な切削特性の改善は得られてはいない。
【０００４】
本発明はこうした事情に鑑み、Ｓｉ含有皮膜特有の高硬度及び耐酸化性を更に改善し、かつ、高靭性で耐チッピング性に優れ、高速切削加工に最適である被覆切削工具を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
Ｓｉ含有皮膜においては前述の如く、Ｓｉ添加により皮膜の高硬度化による静的な耐摩耗性は改善されるが、皮膜が極めて脆くなり、同時に耐酸化性が十分ではなく酸化の進行に伴う摩耗が発生し、耐摩耗性を十分発揮できないばかりではなく、皮膜内部に発生する圧縮応力も非Ｓｉ含有皮膜と比べ著しく高くなり、この過剰な圧縮応力により成膜直後に剥離が発生してしまう。これらの理由から切削工具に適用するには至っていないのが現状である。しかしながら本発明者はこのＳｉ含有皮膜が脆くなる原因また過剰応力による皮膜剥離等を抑制する手段を見出し本発明に到達した。すなわち、切削工具基体に４、５、６族の金属元素及びＡｌのうち１種若しくは２種以上より選択された元素とＳｉ元素を含み、非金属元素として少なくともＮ、Ｂ、Ｃ、Ｏのうち１種若しくは２種以上より選択された元素を含むＳｉ含有皮膜を被覆してなる被覆切削工具において、該皮膜は同一相内に高Ｓｉ濃度領域と低Ｓｉ濃度領域を有する相を有することを特徴とする被覆切削工具である。
【０００６】
Ｓｉ含有皮膜が脆くなる要因の一つとして以下に示すことが判明した。即ち、現在一般的に使用されているＴｉＡｌＮ等の多元系窒化物の多くは立方晶ＮａＣｌ型の結晶構造を有する置換型の窒化物を形成する事が知られるが、このＳｉを含有した多元系皮膜においてはＳｉと他の金属元素が置換型の結晶構造をとりにくく、夫々の金属元素が窒化物等の結晶構造を形成し易い傾向にある為、このことが皮膜そのもの脆化若しくは過剰応力を誘発させると考える。同時に耐酸化性が不十分である要因としては、Ｓｉ窒化物とマトリックスとの間に形成される結晶粒界に沿って酸化が進行する事に起因する。
【０００７】
本発明者はこのＳｉ含有皮膜の過剰応力による脆化を抑制する手段として、Ｓｉ含有マトリックスに同一相からなる、Ｓｉが濃化した窒化物を皮膜内に分散させることにより皮膜内に残留する圧縮応力を著しく低減させ、皮膜の過剰応力に起因した脆化を抑制し、更にＳｉ濃度偏析相とマトリックス界面は同一結晶構造を有する為、比較的整合性があり格子欠陥が少なく、酸素の拡散を著しく低減させ、Ｓｉ含有皮膜の有する耐酸化性若しくは高硬度を犠牲することなく切削工具に対して十分にその特性が発揮されうる皮膜を成膜することを可能にした。
【０００８】
本発明の要旨は、切削工具基体に４、５、６族の金属元素及びＡｌのうち１種若しくは２種以上より選択された元素とＳｉ元素を含み、非金属元素として少なくともＮ、Ｂ、Ｃ、Ｏのうち１種若しくは２種以上より選択された元素を含むＳｉ含有皮膜を被覆してなる被覆切削工具において、該皮膜は同一相内に高Ｓｉ濃度領域と低Ｓｉ濃度領域を有する相を有することを特徴とする被覆切削工具であり、好ましくは透過型電子顕微鏡による観察で該Ｓｉ高濃度領域は２μｍ２以下であり、同一相内の低Ｓｉ濃度領域と格子が不連続であることを特徴とする被覆切削工具である。さらに、該Ｓｉ含有皮膜は金属元素としてＴｉ、Ｖ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｙ、Ｎｂのうち１種若しくは２種以上より選択された元素を含み、該Ｓｉ含有皮膜のＳｉ含有量は金属元素成分のみの原子％で５０％未満であることを特徴とする被覆切削工具及び、該Ｓｉ含有皮膜とは別の少なくとも１層は金属元素として少なくともＡｌとＴｉを含み、非金属元素として少なくともＮを含むＡｌＴｉＮ系膜であることを特徴とする被覆切削工具、も本発明の範囲に含まれる。
【０００９】
このような構成を採用することで、高速切削加工及び高硬度材切削加工などの過酷な切削環境下においても、皮膜剥離を生ずることなく皮膜の耐酸化性及び硬さを大幅に改善し、切削性能が極めて良好となり、従来技術の課題を解決するに至った。すなわち、切削工具基体に４、５、６族の金属元素及びＡｌのうち１種若しくは２種以上より選択された元素とＳｉ元素を含み、非金属元素として少なくともＮ、Ｂ、Ｃ、Ｏのうち１種若しくは２種以上より選択された元素を含むＳｉ含有皮膜を被覆してなる被覆切削工具において、該皮膜は同一相内に高Ｓｉ濃度領域と低Ｓｉ濃度領域を有する相からなるＳｉ含有皮膜が極めて有効である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明のその構成要件について詳しく述べる。本発明である同一相内に高Ｓｉ濃度領域と低Ｓｉ濃度領域を有するＳｉ含有皮膜を解析した結果を以下に述べる。図１にＣｒとＳｉより構成されるＳｉ含有皮膜の透過型電子顕微鏡による格子像の観察結果をしめす。図２、図３に高Ｓｉ濃度領域及び低Ｓｉ濃度領域のエネルギー分散型分析による定量分析結果を示す。また図４、図５に高Ｓｉ濃度領域及び低Ｓｉ濃度領域の極微電子線回折像撮影による結晶構造の解析結果を示す。エネルギー分散型分析による定量分析は１ｎｍ角の分析領域を分析した。極微電子線回折像の撮影にはカメラ長を５０ｃｍ、ビーム径を２〜５ｎｍにて分析を行った。
【００１１】
図１より、領域２に示す部分は領域３に示す低Ｓｉ濃度領域のマトリックスに比べ極めて微細かつ不連続な格子像を示すことが明らかである。更に図２より、図１の領域２に示す高Ｓｉ濃度領域のＳｉの含有量は金属元素成分のみの原子比率で８．５０原子％、また領域３に示す低Ｓｉ濃度からなるマトリックスのＳｉの含有量は金属元素成分のみの原子比率で２．４３原子％であり、３倍以上のＳｉ含有量を示すものである。また図４に、図１の領域２に示すＳｉ濃度の高い領域の極微電子線回折結果を示すが、この高Ｓｉ濃度領域は低Ｓｉ濃度からなるマトリックスと同一のｆｃｃ構造を示すものである。更に図５に高Ｓｉ濃度領域の極微電子線回折パターンを示すがｆｃｃ構造の（２００）面に相当する領域において不明瞭なリング状の回折パターンが観察される。
【００１２】
図６に従来の成膜方法によりＳｉを含有させた皮膜と本発明皮膜のＸ線回折パターンを示す。本発明皮膜のＸ線回折パターンは従来の成膜方法でＳｉを含有させた皮膜のそれに対して（２００）面における回折ピークの広がりが認められる。これは図５の領域２に示す回折像と合わせて考察すると面間隔の異なる微細なＳｉの偏析を伴ったＳｉ含有窒化物が連続的に皮膜内部に形成している為であると考える。
【００１３】
この同一相からなる微細で不連続な高Ｓｉ濃度領域を有したＳｉ含有皮膜は、４、５、６族の金属元素及びＡｌのうち１種若しくは２種以上より選択された元素とＳｉ元素、より好ましくは金属元素としてＴｉ、Ｖ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｙ、Ｎｂのうち１種若しくは２種以上より選択された元素とＳｉ元素からなり、更に非金属元素としてＮ、Ｂ、Ｃ、Ｏのうち１種若しくは２種以上より選択される元素からなるＳｉ含有皮膜において形成させることが可能である。
【００１４】
Ｓｉ含有皮膜中のＳｉ添加量は極少量である場合においてもＳｉが濃化した窒化物をＳｉ含有皮膜内に分散して形成させることが可能である。またＳｉ含有量が５０原子％を超える場合においては、異相を形成し易く、このことにより過剰応力に起因した破壊が発生し易い傾向にあり、Ｓｉ含有量としては５０原子％未満が好ましい。
【００１５】
この同一相からなる低Ｓｉ濃度マトリックスに比べ微細かつ不連続からなる高Ｓｉ濃度領域を含むＳｉ含有皮膜とすることで切削工具として安定したＳｉ含有皮膜を成膜することが可能となる。静的な酸化機構に関しては、高Ｓｉ濃度領域から優先的にＳｉが濃化した極めて微細なＳｉ酸化物を形成する。この微細酸化物により酸素の内向拡散に対して拡散障壁として作用し、その結果、大幅な耐酸化性の改善に寄与した。図７に切削過程における動的酸化の挙動を解析結果を示す。これは切削途中の工具逃げ面における皮膜摩耗部を深さ方向に元素分析したものである。尚、皮膜はＴｉにＳｉを含有させた窒化物における例を示す。図７より表面のＦｅ付着層と窒化物（皮膜）との間にＳｉが濃化した酸化膜を形成していることが明らかであり、動的な酸化においてもこのＳｉが濃化した酸化物によりそれ以後の酸化抑制に貢献している。また、切削工具表面のこのＳｉ酸化物は切削過程における潤滑効果をも有しているものと考えられこれらの相乗効果により高速切削特性が大幅に改善されたものと考える。更にＳｉ含有皮膜の欠点であった皮膜の靭性若しくは耐チッピング性に関しても、Ｓｉそのものによる結晶構造の歪発生に起因した高硬度を犠牲にすることなく従来までのＳｉ含有皮膜に対して格段に改善する結果となった。
【００１６】
上記、本発明皮膜は、静的及び動的条件下において耐酸化性、硬さ及び靭性を兼ね備えた優れた特性を有するものの、単一皮膜では十分な切削性能を示さない場合がある。このような使用環境下においては、耐摩耗性及び耐酸化性等の汎用的特性に優れる皮膜と併用することが有効であるが、この皮膜として現時点で最適であると考えられる皮膜は、金属元素として少なくともＡｌとＴｉを含み、非金属元素として少なくともＮを含むＡｌＴｉＮ系膜である。これを採用することで切削特性を補完することが可能である。より具体的な層構造としては、ＡｌＴｉＮ系膜と本発明皮膜を交互に、それぞれ１層以上積層することにより、高速切削に対応する被覆切削工具を得ることが可能となる。ＡｌＴｉＮ系膜は耐酸化性と耐摩耗性等の汎用的特性を有するばかりでなく、本発明皮膜との密着性が良好であり特性をさらに補完する。このとき、本発明皮膜は硬質皮膜の最上層に有ることが望ましいが、必ずしも最上層でなくとのその効果を十分に発揮するものである。また、基体との密着性改善を目的としたＴｉ窒化物等の引用若しくはＴｉの一部を少量の他元素による置換も本発明に含まれる。
【００１７】
本発明の被覆切削工具は、その被覆方法については、特に限定されるものではないが、被覆基体への熱影響、工具の疲労強度、皮膜の密着性等を考慮した場合、比較的低温で被覆でき、被覆した皮膜に圧縮応力が残留するアーク放電方式イオンプレーティング、若しくはスパッタリング等の被覆基体側にバイアス電圧を印加する物理蒸着法であることが望ましい。
【００１８】
本発明に係る上記、低Ｓｉ濃度マトリックスに比べ微細かつ不連続からなる高Ｓｉ濃度領域を含むＳｉ含有皮膜を基体表面に形成する方法としては、イオンプレーティング法やスパッタリング法等に代表される物理蒸着法が挙げられるが、例えばアークイオンプレーティング法による成膜においては以下による方法を用いれば良い。まず炉内を３×１０５Ｐａまで真空排気を行うと同じにヒーターにより基体の加熱を行う。その後Ａｒによる基体の清浄化及び活性化を行った後、炉内に複数配置されたアーク放電用蒸発源であるカソードに目的とした皮膜組成が得られる各合金ターゲットを設置し、アーク放電によりイオン化させた各種金属と窒素等の反応ガス雰囲気中でイオンプレーティングすることによって得られる。この時、複数のカソードから個々に各種金属をイオン化させるが、この各カソードからの各種金属の蒸発速度と皮膜形成に関与するイオンが放出するエネルギー（以下、イオンエネルギーと言う。）の調整を以下のように施した。
【００１９】
被覆時におけるイオンエネルギーの大小は主に基体に印加するバイアス電圧と反応ガスとの組み合わせによって決定する。ここで、基体に印加するバイアス電圧は負バイアス電圧と正バイアス電圧を周期的に変化させながら成膜を行う必要がある。結果として、皮膜内にイオンエネルギーの周期的な変化を誘発させ、Ｓｉ濃度の異なる皮膜を同一層内に形成させるものである。この周期的なイオンエネルギーの変化が本発明において極めて重要である。更にこの周期的なイオンエネルギーの変化と炉内に複数設置された合金ターゲットの蒸発速度を夫々のカソードにおいて同時に分散させながら基体を回転させることにより蒸気圧の異なるＳｉ含有皮膜のＳｉ偏析を皮膜内に誘発させるものである。
【００２０】
また、基体温度によっても皮膜中のＳｉ濃度差が変化する。具体的には、７００℃以上では同一相からなる低Ｓｉ濃度マトリックスに比べ微細かつ不連続からなる高Ｓｉ濃度領域が確認されない場合もあった。よって好ましい基体温度は５７０℃前後である。バイアス電圧を高くすると基体温度も上昇する傾向がある。基体材質の要求から温度が制限される場合は基体の冷却手段が必要となる場合がある。以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
【００２１】
【実施例】
アークイオンプレーティング装置を用い、金属成分の蒸発源である各種合金製ターゲット、並びに反応ガスであるＮ２ガスを用い、被覆基体温度５５０℃とし、反応ガス圧力を５Ｐａ及び負バイアス電圧を３００Ｖ、正バイアス電圧を４０Ｖとし、その振幅は負を８０％、正を２０％に設定し、その周波数を２０ｋＨｚとした。また、基体を５ｒｐｍで回転させながら複数設置した各蒸発源の電流値の一方を３０Ａ、対向した蒸発源を３００Ａの電流を印加し成膜を行った。被覆基体には外径８ｍｍの超硬合金製６枚刃スケアエンドミル、Ｒ５ｍｍの超硬合金製２枚刃ボールエンドミル及び超硬合金製インサートを用い、全皮膜の厚みが３乃至は５μｍとなるように成膜した。また必要に応じてＡｌＴｉＮ系皮膜との多層膜とした。各試料の高Ｓｉ濃度領域を含むＳｉ含有皮膜の組成及び高Ｓｉ濃度領域の金属成分のみのＳｉ含有量を低Ｓｉ濃度領域の金属成分のみのＳｉ含有量で除した数値を示す。更に併用したＡｌＴｉＮ系膜の組成を表１に示す。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
また、比較例の被覆条件は同様にアークイオンプレーティング装置を用い、金属成分の蒸発源である各種合金製ターゲット並びに反応ガスであるＮ２ガスを用い、被覆基体温度４００℃とし、反応ガス圧力を５Ｐａ及び負バイアス電圧を７０Ｖにして表１に示す各組成の試料を作成した。なお表１において、組成の表示は金属成分、非金属成分を夫々あわせて１００となるよう、原子比で表記したが、これは金属成分と比金属成分の原子比が１：１であることを意味するものではない。得られた被覆エンドミル及び被覆インサートを用い切削試験を行った。エンドミルは切削長１００ｍ時での逃げ面摩耗幅を測定し、インサートにおいては欠損までの切削時間としその結果を表１に示した。
【００２４】
（超硬６枚刃スケアエンドミル切削条件）
工具：超硬６枚刃スケアエンドミル
切削方法：側面切削加工
被削材：ＳＫＤ６１（硬さＨＲＣ５２）
切り込み：軸方向８ｍｍ、径方向０．４ｍｍ
切削速度：５００ｍ／ｍｉｎ
送り：０．０７ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
切削油：エアーブロー
【００２５】
（超硬２枚刃ボールエンドミル）
工具：超硬２枚刃ボールエンドミル
切削方法：底面直線仕上切削加工
被削材：ＳＫＤ１１（硬さＨＲＣ５６）
切り込み：軸方向１．５ｍｍ、ピックフィード０．２ｍｍ
切削速度：２２４ｍ／ｍｉｎ（接触最外径）
送り：０．０７ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
切削油：エアーブロー
【００２６】
（超硬インサート切削条件）
工具：ＥＤＥＷ１５Ｔ４ＴＮ−１５
カッター径：６３ｍｍ
切削方法：面取り加工
被削材：ＳＫＤ６１（硬さＨＲＣ４５）幅５０ｍｍ×長さ２５０ｍｍ
切り込み：２．０ｍｍ
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ
送り：０．５ｍｍ／ｒｅｖ
切削油：エアーブロー
【００２７】
表１より、本発明例１、２、３はＣｒにＳｉを含有させた場合の例であるが同一相からなる微細Ｓｉの偏析が膜内部に観察され、従来例２２、２３及び比較例１８、１９に対しても、３条件とも切削特性に優れる。また、本発明例４、５〜８はＴｉにＳｉを添加した同一相からなる微細Ｓｉの偏析を有した皮膜の例であるが、いずれの切削工具においても、耐摩耗性に優れる。本発明例９、１０はＡｌにＳｉを添加した同一相からなる微細Ｓｉの偏析を有した皮膜の例であるが、同様に切削特性に優れた。本発明例１１、１２、１３、１５は同一相からなる微細Ｓｉの偏析を有した３種の金属成分系の例であるが、いずれも切削特性に優れた。本発明例１４、１６はＳｉとＮｂ若しくはＶを用いた場合の例であるがいずれもＳｉの濃度差が確認され、ともに切削性能に優れた。本発明例は、比較例及び従来例に比して高速切削環境下においても安定した切削が可能である。
【００２８】
これらに対し、比較例１７はＭｎとＳｉの例であるがで、同一相からなる微細Ｓｉの偏析を伴わずＳｉの脆い特性が切削性能に影響を及ぼしたと考えられ本発明例に比して寿命が短い。比較例１８は本請求範囲内の金属元素及び組成ではあるが、従来の蒸着法により成膜した例であり、膜内部に同一相からなる微細Ｓｉの偏析を有することなく本発明例よりも劣る結果となった。比較例１９はＳｉ含有量が５０原子％以上の比較例であるがＳｉの過剰添加により脆くなってしまい、本発明例に比して性能が悪い。従来例２０〜２４は、いずれもこのような過酷な切削環境下においては短寿命である。
【００２９】
【発明の効果】
上記のように、本発明を適用することにより、膜の同一相内に高Ｓｉ濃度領域と低Ｓｉ濃度領域を有する皮膜を設けることにより、高速切削加工においても損傷が軽減され、耐摩耗性に優れた長寿命な被覆切削工具を売ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明例のＣｒとＳｉより構成されるＳｉ含有皮膜の透過型電子顕微鏡による格子像の観察結果を示す。
【図２】図２は、図１の高Ｓｉ濃度領域のエネルギー分散型分析による定量分析結果を示す。
【図３】図３は、図１の低Ｓｉ濃度領域のエネルギー分散型分析による定量分析結果を示す。
【図４】図４は、図１の高Ｓｉ濃度領域の極微電子線回折像撮影による結晶構造の解析結果を示す。
【図５】図５は、図１の低Ｓｉ濃度領域の極微電子線回折像撮影による結晶構造の解析結果を示す。
【図６】図６は、従来の成膜方法によりＳｉを含有させた皮膜と本発明皮膜のＸ線回折パターンを示す。
【図７】図７は、切削過程における動的酸化の挙動を、切削途中の工具逃げ面における皮膜摩耗部を深さ方向に元素分析した結果を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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