(57)【要約】【課題】例えば、高硬度材の切削加工において優れた耐久性を示す被覆切削工具を提供することを目的とする。【解決手段】基材と、前記基材の上に配置され、ナノビーム回折パターンがＷＣの結晶構造に指数付けされ、ＷとＴｉを含有する炭化物からなるａ層と、  前記ａ層の上に配置され、金属（半金属を含む）元素の総量に対し、Ａｌの含有比率（原子％）が６０％以上７５％以下、Ｔｉの含有比率（原子％）が２０％以上である窒化物または炭窒化物からなるｂ層と、前記ｂ層の上に配置され、金属（半金属を含む）元素の総量に対し、Ｔｉの含有比率（原子％）が最も多いＴｉＳｉ系の窒化物または炭窒化物からなるｃ層と、を含み、前記ａ層の膜厚は１ｎｍ〜１０ｎｍであり、前記ｂ層の結晶構造が面心立方格子構造である被覆切削工具。【選択図】図２
2015107546.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、
前記基材の上に配置され、ナノビーム回折パターンがＷＣの結晶構造に指数付けされ、ＷとＴｉを含有する炭化物からなるａ層と、
前記ａ層の上に配置され、金属（半金属を含む）元素の総量に対し、Ａｌの含有比率（原子％）が６０％以上７５％以下、Ｔｉの含有比率（原子％）が２０％以上である窒化物または炭窒化物からなるｂ層と、
前記ｂ層の上に配置され、金属（半金属を含む）元素の総量に対し、Ｔｉの含有比率（原子％）が最も多いＴｉＳｉ系の窒化物または炭窒化物からなるｃ層と、を含み、
前記ａ層の膜厚は１ｎｍ〜１０ｎｍであり、前記ｂ層の結晶構造が面心立方格子構造である被覆切削工具。
【請求項２】
前記ｃ層の膜厚は１μｍ以上である請求項１に記載の被覆切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼や鋳鉄等の切削加工に適用される硬質皮膜が被覆された被覆切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、切削工具の耐久性を向上させることを目的に、硬質皮膜を被覆した被覆切削工具が適用されている。硬質皮膜の中でもＴｉとＳｉの複合窒化物皮膜や炭窒化物皮膜（以下、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＣＮと記載する。）は優れた耐摩耗性を有することから高硬度鋼の切削加工に適用されている。通常、ＴｉＳｉＮやＴｉＳｉＣＮは、基材との密着性が乏しいことから基材とＴｉＳｉＮやＴｉＳｉＣＮの間に密着性を改善するための中間皮膜を介して被覆され被覆切削工具に適用されている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、基材の直上に金属成分のみの原子％が、Ａｌ：４０％越え７５％以下、Ｂ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの１種または２種以上で１０％未満、残りＴｉで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかを介し、その直上にＴｉＳｉＮやＴｉＳｉＣＮを被覆した被覆切削工具が開示されている。また、特許文献２には、基材の直上にＴｉを主体とする窒化物を０．１μｍ〜１μｍで形成して、その直上に金属成分のみの原子％が、Ａｌ：４０％越え７５％以下、Ｂ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの１種または２種以上で１０％未満、残りＴｉで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかを介し、その直上にＴｉＳｉＮやＴｉＳｉＣＮを被覆した被覆切削工具が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３３４６０６号公報
【特許文献２】特開２０００−３２６１０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、被加工材の高硬度化および加工速度の高速化により、切削工具の使用環境はより過酷なものとなっている。特に、熱処理により６０ＨＲＣ以上の高硬度に調整された冷間工具鋼を切削加工する場合、硬質皮膜の剥離や摩耗が早期に生じ易い。そのため、特許文献１、２のような中間皮膜を介してＴｉＳｉＮやＴｉＳｉＣＮが被覆された被覆切削工具であっても早期に工具寿命に達する場合があった。
本発明は上記のような事情に鑑み行われたものであり、耐久性に優れる被覆切削工具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、高硬度材の切削加工において優れた耐久性を示す具体的な皮膜構造を見出して本発明に到達した。
すなわち本発明は、基材と、前記基材の上に配置され、ナノビーム回折パターンがＷＣの結晶構造に指数付けされ、ＷとＴｉを含有する炭化物からなるａ層と、
前記ａ層の上に配置され、金属（半金属を含む。以下同様。）元素の総量に対し、Ａｌの含有比率（原子％）が６０％以上７５％以下、Ｔｉの含有比率（原子％）が２０％以上である窒化物または炭窒化物からなるｂ層と、前記ｂ層の上に配置され、金属元素の総量に対し、Ｔｉの含有比率（原子％）が最も多いＴｉＳｉ系の窒化物または炭窒化物からなるｃ層と、を含み、
前記ａ層の膜厚は１ｎｍ〜１０ｎｍであり、前記ｂ層の結晶構造が面心立方格子構造である被覆切削工具である。
前記ｃ層の膜厚は１μｍ以上であることが好ましい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、高硬度の冷間工具鋼の切削加工であっても硬質皮膜の剥離や摩耗が抑制されて、被覆切削工具の耐久性を大幅に改善することが可能となる。また、例えば、ＳＵＳ等の溶着の多い被削材を加工する場合でも被覆切削工具の耐久性を大幅に改善することが可能となる。よって、加工能率の向上及び加工コストの低減を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例２で使用した、切削試験後の本発明例１の工具刃先の表面観察写真である。
【図２】実施例２で使用した、切削試験後の本発明例２の工具刃先の表面観察写真である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明者の検討によれば、高硬度鋼の切削加工において工具の耐久性を高めるためには、切削加工中の切削抵抗を低減することが重要であることを見出した。そして、特定組成からなる硬質皮膜の上にＴｉＳｉ系の窒化物または炭窒化物を形成することで、優れた耐摩耗性を確保しつつ、切削加工中の切削抵抗が低減することを確認した。具体的には、Ａｌ含有量を高めたＡｌとＴｉを含有する窒化物または炭窒化物の上にＴｉＳｉ系の窒化物または炭窒化物を形成することで、工具寿命が改善されることを確認した。そして、基材とＡｌとＴｉを含有する窒化物または炭窒化物との密着性を高めることが重要であり、工具の耐久性をより高めることができる具体的な皮膜構造を見出したことで本発明に到達した。以下、本発明の構成要件について説明をする。
【００１０】
本発明において、基材の上に配置されるａ層は、ナノビーム回折パターンがＷＣの結晶構造に指数付けされ、ＷおよびＴｉを含む炭化物からなる。基材の直上のａ層は、ナノビーム回折パターンがＷＣの結晶構造に指数付けされ、タングステン（Ｗ）を含有する炭化物であることにより、基材である超硬合金との親和性が強くなり密着性が優れると考えられる。また、ａ層がチタン（Ｔｉ）を含有することで、基材とａ層の上に配置されるｂ層の密着性がより高まるとともに、ａ層の直上にあるｂ層の硬質皮膜の結晶構造が面心立方格子（ｆｃｃ；以下、単に「ｆｃｃ」と省略することがある）構造となり易く被覆切削工具の耐久性が向上する傾向にある。ａ層は、金属元素の総量に対してＴｉの含有比率（原子％）が１０％以上２５％以下であることが好ましい。
また、ａ層は、薄くなり過ぎても厚くなり過ぎても、基材との密着性を向上させるのに好ましくない。よって、ａ層の膜厚は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲とする。ａ層の膜厚の下限については、好ましくは２ｎｍ以上であり、更には３ｎｍ以上が好ましい。また、ａ層の膜厚の上限については、好ましくは７ｎｍ以下である。更には６ｎｍ以下であることが好ましい。
【００１１】
本発明のａ層は、ＷおよびＴｉ以外に皮膜成分および母材成分を含有しても良い。本発明のａ層には、基材側のＣｏや硬質皮膜側のＡｌ、Ｎが拡散して含まれ得るが、ａ層は、ナノビーム回折パターンがＷＣの結晶構造に指数付けされ、タングステン（Ｗ）とチタン（Ｔｉ）を含有する炭化物であることで、本発明の効果を発揮することができる。ａ層は、工具刃先の透過型電子顕微鏡観察による断面観察、組成分析、ナノビーム回折パターンより確認することができる。
【００１２】
ｂ層は、金属元素の総量に対し、Ａｌの含有比率（原子％）が６０％以上７５％以下、Ｔｉの含有比率（原子％）が２０％以上である窒化物または炭窒化物からなる。
ＡｌとＴｉを含む窒化物または炭窒化物は、耐熱性と耐摩耗性に優れた皮膜種である。ｂ層は、金属元素の総量に対し、Ａｌの含有比率（原子％）が６０％以上とすることで、加工中に切削工具の刃先への溶着が抑制され易くなり、加工中の切削抵抗が低減する傾向にある。ｂ層のＡｌの含有量が６０％未満であると、加工中の切削抵抗が増加するとともに皮膜の耐熱性が低下し易くなる。また、ｂ層のＡｌの含有量が７５％よりも多くなると脆弱な六方最密充墳（ｈｃｐ；以下、単に「ｈｃｐ」と省略することがある）構造の結晶構造が主体となり易く、被覆切削工具の耐久性が低下する傾向にある。
ｂ層はａ層の直上に設けることで基材とｂ層の密着性が高まり、加工中に切削抵抗を低減する効果が有効に発揮されて好ましい。
【００１３】
ｂ層の結晶構造をｆｃｃ構造とするためには、金属元素の総量に対し、Ｔｉの含有比率（原子％）を２０％以上とする。ｂ層のＴｉが２０％未満であると、耐摩耗性が低下するとともに、被覆切削工具として優れた耐久性を実現できるｆｃｃ構造とすることが困難となる。高硬度鋼の切削加工において、より優れた耐久性を実現するには、ｂ層は、ＡｌとＴｉの合計の含有比率（原子％）が９０％以上であることが好ましい。
【００１４】
ｂ層は、ＡｌとＴｉの含有量を考慮し、ｆｃｃ構造の結晶構造を維持する範囲であれば、周期律表の４ａ族、５ａ族、６ａ族の金属元素およびＳｉ、Ｂから選択される１種または２種以上の元素の合計を金属元素の総量に対し、１０％以下の原子比率で含有することができる。また、ｂ層は、窒化物または炭窒化物であれば、皮膜の一部に酸素等の非金属元素を含有してもよい。ｂ層は、耐熱性が優れる傾向にある窒化物であることがより好ましい。ｂ層は、Ｗを含有することで高硬度鋼だけでなく高炭素鋼やＮｉ基超耐熱合金の切削加工においても優れた耐久性を示す傾向にあり好ましい。Ｗの含有比率（原子％）は、金属元素の総量に対し、２％以上７％以下とすることが特に好ましい。
本発明においてｆｃｃ構造であるとは、電子線回折やＸ線回折において、ｆｃｃ構造に対応するピーク強度が最大強度を示すものをいう。本発明においてｂ層は、皮膜構造の一部にｈｃｐ構造を含有してもよい。ｂ層の膜厚は１μｍ〜５μｍであることが好ましい。ｂ層の膜厚の下限については、より好ましくは１．５μｍ以上である。ｂ層の膜厚の上限については、より好ましくは３μｍ以下である。
【００１５】
高硬度鋼の湿式加工においては、加熱と冷却のサイクルにより硬質皮膜が剥離し易くなることから、高い残留圧縮応力を有する硬質皮膜を保護皮膜として設けることが有効である。本発明では、金属元素の総量に対し、Ｔｉの含有比率（原子％）が最も多いＴｉＳｉ系の窒化物または炭窒化物からなるｃ層をｂ層の上に配置する。ｃ層に高い耐摩耗性を付与するために、金属元素の総量に対し、Ｔｉの含有比率（原子％）を５５％以上とすることが好ましい。また、硬質皮膜に高い残留圧縮応力を付与するために、Ｓｉの含有比率（原子％）を１０％以上とすることが好ましい。ｃ層は耐熱衝撃性が優れる高い残留圧縮応力を有する膜種であり、ｃ層を設けることでｂ層の摩耗が抑制され、高硬度鋼の切削加工においても持続的に切削抵抗が低下して工具損傷が抑制される傾向にある。
ｃ層に高い残留圧縮応力を付与した上で耐摩耗性をより高めるには、ｃ層は、金属元素の総量に対し、Ｔｉの含有比率（原子％）を６０％以上８５％以下、Ｓｉの含有比率（原子％）を１５％以上４０％以下とすることが好ましい。
【００１６】
ｃ層が薄くなり過ぎると耐摩耗性が低下する傾向にある。また、ｃ層が厚くなり過ぎれば皮膜剥離が発生し易くなる。そのため、ｃ層の膜厚は０．３μｍ〜５μｍとすることが好ましい。ｃ層の膜厚の下限については、より好ましくは０．５μｍ以上である。ｃ層の膜厚の上限については、より好ましくは３μｍ以下であり、更には２．５μｍ以下であることが好ましい。また、ｃ層は、周期律表の４ａ族、５ａ族、６ａ族の金属元素およびＡｌ、Ｂから選択される１種または２種以上の元素の合計を、金属元素の総量に対し、１０％以下の原子比率で含有することができる。
ｃ層は、窒化物または炭窒化物であれば、皮膜の一部に酸素等の非金属元素を含有してもよい。ｃ層は、耐熱性が優れる傾向にある窒化物であることがより好ましい。密着性を高めるためには、ｂ層の直上にはｃ層を設けることが好ましいが、ｂ層とｃ層の組成からなる相互積層皮膜を設けてもよい。
【００１７】
高硬度鋼の切削加工においては、保護皮膜であるｃ層が一定以上の膜厚を有することが好ましい。本発明の被覆切削工具は、ｃ層の膜厚を１μｍ以上とすることで、高硬度な冷間工具鋼を切削加工する場合においても、優れた耐久性を発揮することができ好ましい。例えば、切削速度２００ｍ／ｍｉｎ以上の高速加工を行った場合でも優れた耐久性を発揮することができ好ましい。更には、切削速度２５０ｍ／ｍｉｎ以上とした場合でも優れた耐久性を発揮することができ好ましい。本発明は、５５ＨＲＣ以上の冷間工具鋼の切削加工に適用することで優れた工具性能を発揮できるので好ましい。更には、６０ＨＲＣ以上の冷間工具鋼の切削加工にも適用でき好ましい。切削速度を上げることで切削に要する時間を短縮できるため金型の製造能率が向上するという効果が期待できる。
なお、本発明における切削速度とは、作業面（刃先）の速度である。つまり、刃先交換式工具であれば、インサートチップをセットしたときのインサート最外刃部の速度、ドリルやエンドミルなどの旋回工具であれば、その外周刃部の速度である。
【００１８】
本発明のａ層を形成するには、ターゲットの外周にコイル磁石を配備してアークスポットをターゲット内部に閉じ込めるような磁場構成としたカソードを用いてＴｉボンバードを実施することが好ましい。このようなカソードを用いて炭化物を形成し易い元素種であるＴｉでボンバード処理することで、基材表面の酸化物が除去されて清浄化されると共にボンバードされたＴｉイオンが基材表面のＷＣに拡散して、ナノビーム回折パターンがＷＣの結晶構造に指数付けされ、ＷおよびＴｉを含む炭化物が形成され易くなる。
また、Ｔｉボンバードの際に基材に印加する負のバイアス電圧およびターゲットへ投入する電流が低いとＷおよびＴｉを含む炭化物が形成され難い。そのため、基材に印加する負のバイアス電圧は−１０００Ｖ〜−７００Ｖとすることが好ましい。また、ターゲットへ投入する電流は８０Ａ〜１５０Ａとすることが好ましい。
ボンバードはアルゴンガス、窒素ガス、水素ガス、炭化水素系ガス等を導入しながら実施してもよいが、炉内雰囲気を１．０×１０−２Ｐａ以下の真空下で実施することで基材表面が清浄化されるとともに、拡散層が形成され易くなり好ましい。
【００１９】
本発明の被覆切削工具は、外周刃を主に使用するラジアスエンドミルまたはスクエアエンドミル等の工具に適用することで特に効果が発揮され易く好ましい。
【実施例１】
【００２０】
基材として、ＷＣ基超硬合金からなるスクエアエンドミルを用い、各条件で硬質皮膜を被覆して被覆切削工具を作製し、その特性評価を行った。硬質皮膜の成膜にはアークイオンプレーティング成膜装置を用いた。真空容器内に設置した基材にはバイアス電源が接続されおり、基材に負のＤＣバイアス電圧を印加して硬質皮膜を被覆した。
表１に成膜に用いたカソードおよびバイアス条件について示す。本発明のｂ層、ｃ層を被覆するには、ターゲットの外周および背面に永久磁石を配備し、２０．２ｍＴの平均磁束密度のカソード（以下、Ｃ１、Ｃ２と記載する。）を用いた。本発明例のメタルボンバード処理には、ターゲットの外周にコイル磁石を配備したカソード（以下、Ｃ３と記載する。）を用いた。
【００２１】
本発明例１〜４および比較例１、５は、基材を真空容器内のパイプ状治具に固定し、約５００℃、１×１０−３Ｐａの真空中で加熱脱ガスを行った後、Ａｒプラズマによるクリーニングを行った。そして、８×１０−３Ｐａ以下になるように真空排気して、Ｃ３に１５０Ａのアーク電流を供給してＴｉボンバード処理を４分間実施した。その後、窒素ガスを導入して、Ｃ１に電力を投入して窒化物のｂ層を被覆した。続いてＣ２に電力を投入して窒化物のｃ層を被覆した被覆切削工具を作製した。
比較例２、３は、Ｃ２にターゲットを設けずに、Ｔｉボンバード処理後に、Ｃ１に電力を投入して単層の窒化物皮膜を被覆した。
比較例４は、基材の表面をＡｒプラズマによるクリーニングを行った後に、Ｔｉボンバード処理をせず、窒化物皮膜を被覆した。その後、Ｃ１、Ｃ２に電力を投入してそれぞれａ層、ｂ層を被覆した。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
株式会社日本電子製の電子プローブマイクロアナライザー装置（型番：ＪＸＡ−８５００Ｆ）を用いて、付属の波長分散型電子プローブ微小分析（ＷＤＳ−ＥＰＭＡ）でｂ層とｃ層の皮膜組成を測定した。この皮膜組成の分析は、分析用の被覆切削工具を加工して断面観察し、各層を加速電圧１０ｋＶ、照射電流５×１０−８Ａ、取り込み時間１０秒、分析領域直径０．５μｍで５点測定してその平均から組成を求めることにより行った。
【００２４】
分析用の被覆切削工具を加工してＴＥＭ解析を行った。装置は、日本電子株式会社製の電界放出型透過電子顕微鏡（型番：ＪＥＭ−２０１０Ｆ型）を用いた。制限視野回折パターンから、本発明例１〜４、比較例１〜５のｂ層は、ｆｃｃ構造に対応するピーク強度が最大強度を示し、ｆｃｃ構造であることを確認した。また、ｈｃｐ構造に対応するピーク強度は僅かに確認された。
【００２５】
工具刃先部分について、膜面に垂直な面で切断した場合の切断面をＴＥＭで解析した。ａ層の組成は付属のＵＴＷ型Ｓｉ（Ｌｉ）半導体検出器を用いてビーム径１ｎｍで分析した。ナノビーム回折は、カメラ長５０ｃｍとし、２ｎｍ以下のビーム径で分析した。ＥＤＳスペクトル分析およびナノビーム回折パターンから、基材、ａ層、ｂ層の確認を行った。ＥＤＳスペクトル分析結果から、本発明例のａ層は、金属元素の含有比率（原子％）でＷを最も多く含有し、次いでＴｉを多く含有することを確認した。金属元素の含有比率（原子％）でＷの含有比率（原子％）は約８０％であった。また、Ｔｉの含有比率(原子％)は約１５％であった。また、ＷおよびＴｉ以外には硬質皮膜の成分であるＡｌ、Ｎを含有していた。また、母材成分であるＣｏも僅かに含有していた。そして、本発明例のａ層はナノビーム回折パターンがＷＣの結晶構造に指数付けが可能であった。ＥＤＳスペクトル分析およびナノビーム回折パターンから、本発明例のａ層はＷＣの結晶構造に指数付けされ、タングステン（Ｗ）とチタン（Ｔｉ）を含有する炭化物であることを確認した。各試料の物性評価の結果を表２に示す。
【００２６】
作製した被覆切削工具を用いて切削試験を行った。表２に切削試験結果を示す。切削条件は以下の通りである。
工具：スクエアエンドミル（ＣＥＰＲ６０８０）
φ８×６枚刃（日立ツール株式会社製）
基材：ＷＣ（ｂａｌ．）−Ｃｏ（８質量％）−ＴａＣ（０．２５質量％）−Ｃｒ３Ｃ２（０．９質量％）、ＷＣ平均粒径０．６μｍ、硬度９３．４ＨＲＡの超硬合金
切削方法：側面切削
被削材：ＳＫＤ１１（６０ＨＲＣ）
切込み：軸方向、９ｍｍ、径方向、０．１６ｍｍ
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ
一刃送り量：０．０６ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
切削油：エアーブロー
切削距離：１０ｍ
【００２７】
【表２】
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【００２８】
本発明例は、保護皮膜として高い残留圧縮応力を有するｃ層を設けているため、高硬度鋼の切削加工においても工具損傷が少なくなることを確認した。
比較例１は、ｂ層のＡｌ含有量が少ないため、本発明例よりも切削加工中の抵抗が大きくなり工具刃先の最大摩耗幅が大きくなった。
比較例２、３は、保護皮膜として高い残留圧縮応力を有するｃ層を設けていないため、高硬度鋼の切削加工において、本発明例に比べて工具刃先の最大摩耗幅が大きくなることを確認した。
比較例４は、基材とｂ層の密着性が十分でないため、工具刃先の最大摩耗幅が大きくなった。
比較例５は、高い残留圧縮応力を付与できないＡｌＣｒＮを保護皮膜として設けたため、工具刃先の最大摩耗幅が大きくなった。
【実施例２】
【００２９】
実施例１で評価した本発明例１、２について、切削速度を速めて評価した。切削条件は以下の通りである。試験結果を表３に示す。
工具：スクエアエンドミル（ＣＥＰＲ６０８０）
φ８×６枚刃（日立ツール株式会社製）
基材：ＷＣ（ｂａｌ．）−Ｃｏ（８質量％）−ＴａＣ（０．２５質量％）−Ｃｒ３Ｃ２（０．９質量％）、ＷＣ平均粒径０．６μｍ、硬度９３．４ＨＲＡの超硬合金
切削方法：側面切削
被削材：ＳＫＤ１１（６０ＨＲＣ）
切込み：軸方向、９ｍｍ、径方向、０．１６ｍｍ
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ
一刃送り量：０．０６ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
切削油：エアーブロー
切削距離：１．２５ｍ
【００３０】
【表３】
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【００３１】
図１、２に切削試験後の工具刃先の観察写真を示す。ｃ層の膜厚が１μｍ以上とした本発明例２の方が、本発明例１よりも工具刃先の最大摩耗幅が抑制されており、より高速での切削加工に有効であることが確認された。
【図１】
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【図２】
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