(57)【要約】【課題】被覆膜に熱亀裂が生じることを抑制して工具の耐欠損性を向上させることができる被覆切削工具を提供する。【解決手段】超硬合金基材４上に被覆膜３を具える被覆切削工具１である。基材４の熱膨張係数をｘ、基材４直上の表面膜３ａの熱膨張係数をｚとするとき、ｘ＜ｙ＜ｚを満たす熱膨張係数ｙを有する分散材２ａ〜２ｃを表面膜３ａ中に分散して具える。基材直上の表面膜に分散的に具える微量の分散材によって、被覆膜に熱亀裂が発生することを抑制し、工具の耐欠損性を向上することができる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超硬合金基材上に被覆膜を具える被覆切削工具であって、
前記基材は、
炭化タングステンと、周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族の炭化物、窒化物及び炭窒化物の少なくとも１種（ただし、炭化タングステンは除く）とからなる硬質相と、Ｃｏを含む結合相と不可避的不純物とからなり、
前記基材の熱膨張係数をｘ、基材直上の表面被覆膜の熱膨張係数をｚとするとき、
ｘ＜ｙ＜ｚを満たす熱膨張係数ｙの分散材を前記表面被覆膜中に分散して具えることを特徴とする被覆切削工具。
【請求項２】
基材直上の表面被覆膜は、ＴｉＮ膜であり、分散材は、Ａｌ２Ｏ３結晶粒であることを特徴とする請求項１に記載の被覆切削工具。
【請求項３】
Ａｌ２Ｏ３結晶粒は、平均粒径が０．００１μｍ以上５μｍ以下であり、ＴｉＮ膜における存在比率が０．００１％以上２０％以下であることを特徴とする請求項２に記載の被覆切削工具。
【請求項４】
ＴｉＮ膜は、平均膜厚が０．１μｍ以上５μｍ以下であることを特徴とする請求項２又は３に記載の被覆切削工具。
【請求項５】
基材直上の表面被覆膜の上に、更に、周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族の炭化物、窒化物、炭窒化物、硼化物、硼窒化物、硼窒炭化物、酸化物、炭酸化物、酸窒化物、炭窒酸化物、及び酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムからなる群から選ばれる１種以上の硬質膜を具え、被覆膜のトータル平均膜厚が１．０μｍ以上３０．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の被覆切削工具。
【請求項６】
硬質膜の少なくとも一層が柱状構造の膜組織を有することを特徴とする請求項５に記載の被覆切削工具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超硬合金基材上に被覆膜を具える被覆切削工具に関するものである。特に、被覆膜の亀裂を抑制して、工具の耐欠損性を向上させることが可能な被覆切削工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、切削工具として、基材に超硬合金を使用し、その表面にＴｉ系の被覆膜を形成したものが知られている。特に、超硬合金基材の直上に設ける被覆膜として、ＴｉＮ膜が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような被覆膜は、通常、成膜装置内に配置した基材を加熱して基材温度を高めた状態で成膜し、基材を冷却した後、装置から被覆された工具を取り出すことで形成されている。
【０００３】
特許文献１には、被覆膜を成膜後、被覆膜の外層にショットピーニングにてクラックを生じさせ、このクラックを内層に伝播させない構成が記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−０９９４０５号公報（特許請求の範囲参照）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来は、基材の熱膨張係数と被覆膜の熱膨張係数との差が大きく、基材を冷却した後、成膜装置から工具を取り出す際、熱膨張係数の差から被覆膜に亀裂が入ることがある。そして、この被覆膜の熱亀裂によって工具の耐欠損性を著しく阻害するという問題がある。
【０００６】
特許文献１では、基材と接する内層のみの残留応力は問題にならないものとし、被覆膜の外層にクラックを生じさせて外層の残留応力を減少・緩和させることで、耐欠損性の向上を試みている。しかし、本発明者が鋭意研究した結果、内層に生じる亀裂を外層により防止することには、限界があるとの知見を得た。
【０００７】
そこで、本発明の主目的は、被覆膜に熱亀裂が生じることを抑制して工具の耐欠損性を向上させることができる被覆切削工具を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、被覆膜のうち、基材直上に設ける表面被覆膜に、基材の熱膨張係数と表面被覆膜の熱膨張係数との中間の熱膨張係数を有する分散材を分散的に存在させることで上記目的を達成する。
【０００９】
即ち、本発明は、超硬合金基材上に被覆膜を具える被覆切削工具である。そして、基材の熱膨張係数をｘ、基材直上の表面被覆膜の熱膨張係数をｚとするとき、ｘ＜ｙ＜ｚを満たす熱膨張係数ｙの分散材を前記表面被覆膜中に分散して具えることを特徴とする。
【００１０】
従来の工具では、通常、超硬合金基材の熱膨張係数が５〜６×１０−６／Ｋ程度、基材の直上に設けられるＴｉＮ膜の熱膨張係数が９．３５×１０−６／Ｋ程度であり、基材の熱膨張係数とＴｉＮ膜の熱膨張係数とは、比較的差が大きい。このように熱膨張係数の差が比較的大きいことで、従来は、被覆された工具を成膜装置から取り出す際、被覆膜、特に、基材直上のＴｉＮ膜に亀裂が入り、この熱亀裂が基材にまで伝播することで工具に欠損が生じ、工具の耐欠損性を低減していた。そこで、本発明は、基材の熱膨張係数と基材直上の表面被覆膜の熱膨張係数との差を緩和するために、基材と表面被覆膜との中間の熱膨張係数を有する分散材を表面被覆膜に存在させる。即ち、本発明は、熱膨張係数の異なる分散材を基材と表面被覆膜との境界面近傍に具える。この構成により、本発明工具は、基材直上の表面被覆膜に分散的に具える微量の分散材によって、被覆膜に熱亀裂が発生することを抑制し、工具の耐欠損性を向上することができる。以下、本発明の構成をより詳しく説明する。
【００１１】
（被覆膜）
＜表面被覆膜＞
本発明において、基材直上に設ける被覆膜（表面被覆膜）は、ＴｉＮ膜が好ましい。ＴｉＮ膜は、一般に、基材との密着性がよいため、基材直上に設ける表面被覆膜として最適である。また、後述するＡｌ２Ｏ３結晶粒などの分散材との密着性にも優れ、分散材の保持能力が高く好ましい。ＴｉＮ膜は、平均膜厚が０．１μｍ以上５μｍ以下であることがより好ましい。０．１μｍ未満では、分散材が占める割合が多くなりやすく、被覆膜の密着力が不足しやすい。５μｍ超では、分散材の添加による耐熱亀裂性が向上しにくい。より好ましい平均膜厚は、０．４μｍ以上１．０μｍ以下である。
【００１２】
＜硬質膜＞
被覆膜は、上記基材直上の表面被覆膜だけでなく、更に、表面被覆膜上に硬質膜を具えていてもよい。硬質膜は、例えば、周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族の炭化物、窒化物、炭窒化物、硼化物、硼窒化物、硼窒炭化物、酸化物、炭酸化物、酸窒化物、炭窒酸化物、及び酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムからなる群から選ばれる１種以上からなる膜が挙げられる。このような硬質膜は、単層でも複数層積層でもよい。
【００１３】
また、硬質膜の少なくとも一層は、柱状構造（ｃｏｌｕｍｎａｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の膜組織を有するものが好ましい。柱状構造を有することで耐摩耗性をより向上することができる。特に、柱状構造が微細であるとより一層耐摩耗性に優れる。このような膜として、例えば、ＴｉＣＮ膜が挙げられる。
【００１４】
上記被覆膜は、公知のＣＶＤ法により形成すればよいが、ＭＴ−ＣＶＤ法（ＭＴ：ｍｏｄｅｒａｔｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）にて成膜してもよい。従来のＣＶＤ法は、約１０００℃で成膜を行うのに対して、ＭＴ−ＣＶＤ法は、約７００〜１０００℃未満と比較的低温で行うため、成膜の際、加熱による基材のダメージが低減できるため好ましい。また、被覆膜のトータル平均膜厚は、１．０μｍ以上３０．０μｍ以下が好ましい。１．０μｍ未満では、被覆膜を具える被覆切削工具として耐摩耗性が発揮しにくい。３０．０μｍ超では、耐欠損性の劣化が著しく劣ることがある。より好ましい平均膜厚は、３μｍ以上１５μｍ以下である。硬質膜を具えることで、耐摩耗性や耐欠損性、耐溶着性などの工具特性をより向上させることができる。
【００１５】
（分散材）
分散材は、超硬合金基材の熱膨張係数と、基材直上に設ける表面被覆膜の熱膨張係数との中間の熱膨張係数を有するものであればよいが、特に、Ａｌ２Ｏ３結晶粒が好ましい。Ａｌ２Ｏ３結晶粒の熱膨張係数は、７．８×１０−６／Ｋ程度であり、超硬合金基材の熱膨張係数とＴｉＮ膜の熱膨張係数の丁度中間的な値である。ここで、Ａｌ２Ｏ３結晶粒を表面被覆膜内に分散させるのではなく、Ａｌ２Ｏ３を基材表面に直接被覆することが考えられる。しかし、本発明者が検討した結果、Ａｌ２Ｏ３単体では、基材との密着性が悪いため剥離し易く、基材表面に直接被覆することは非常に困難であるとの知見を得た。そこで、本発明では、表面被覆膜にＡｌ２Ｏ３結晶粒を分散させる。
【００１６】
Ａｌ２Ｏ３結晶粒は、特に、平均粒径が０．００１μｍ以上５μｍ以下の微細なものが好ましい。０．００１μｍ未満では、熱膨張係数の変化（差）が生じにくく、熱膨張係数の差の緩和による効果が得られにくい。５μｍ超では、熱膨張係数の変化（差）が生じるものの、被覆表面膜と分散材との境界面に亀裂が進展しやすくなり、工具としての寿命を損ない易くなる。より好ましい平均粒径は、０．０１μｍ以上０．１μｍ以下である。
【００１７】
また、Ａｌ２Ｏ３結晶粒のＴｉＮ膜における存在比率は、０．００１％以上２０％以下であることが好ましい。存在比率が０．００１％未満であると、分散材が少なすぎて、熱膨張係数の差を緩和する効果が得られにくい。存在比率が２０％超では、分散材が多すぎて、密着力が不足し、被覆切削工具としての寿命の延命化を図りにくい。より好ましい存在比率は、０．０５％以上１０％以下である。本発明において存在比率とは、工具断面において、基材直上の表面被覆膜の単位面積に対する基材直上の表面被覆膜の単位面積中に含まれる分散材の面積の割合とする。基材直上の表面被覆膜の単位面積は、厚み×長さで求めることができる。
【００１８】
表面被覆膜に対する分散材の存在状態は、以下の場合が考えられる。図１は、本発明工具の断面における部分模式図である。図１に示すように本発明工具１は、基材４上に被覆膜３を具える。そして、分散材は、表面被覆膜３ａに全表面を覆われるように存在する場合（図１中２ａ）、一部が基材４表面に接している場合（同２ｂ）、一部が表面被覆膜３の表面を押し上げるように存在する場合（同２ｃ）などが考えられる。なお、図１では、表面被覆膜３の上に上記の硬質膜３ｂを複数層具えるものを示す。
【００１９】
（基材直上の表面被覆膜に対する分散材の分散形成）
上記基材直上の表面被覆膜に分散材を分散させて存在させる方法として、例えば、スプレー塗布方法やブラスト方法が挙げられる。スプレー塗布方法は、例えば、以下のように行うとよい。ホーニング加工処理を施した基材をアセトン中で超音波洗浄した後、分散材と水又はアルコールとを一定の濃度で混ぜた溶液を基材表面に一定時間スプレーして塗布し、自然乾燥又は外熱式乾燥機などの乾燥機にて基材表面を乾燥させて分散材を基材表面に存在させる。このとき、溶液の濃度やスプレー時間などを変化させることで分散材の存在比率を調整することができる。このように基材に被覆膜を設けることで、表面被覆膜に分散材が分散して存在した状態を形成することができる。ブラスト方法は、例えば、以下のように行うとよい。ホーニング加工処理を施した基材に対して、分散材を用いてブラスト処理を施した後、分散材が特定の存在比率となるように超音波洗浄を行うことで、分散材を基材表面に存在させる。このとき、洗浄時間を変化させることで、分散材の存在比率を調整することができる。このように基材に被覆膜を設けることで、表面被覆膜に分散材が分散して存在した状態を形成することができる。
【００２０】
（超硬合金基材）
本発明において基材は、超硬合金からなるものを用いる。超硬合金は、炭化タングステンと、周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族の炭化物、窒化物及び炭窒化物の少なくとも１種（ただし、炭化タングステンは除く）とからなる硬質相と、Ｃｏを含む結合相と不可避的不純物とからなるものが好ましい。硬質相は、炭化タングステンを主成分とすることが好ましい。結合相は、Ｃｏだけでもよいが、Ｃｏを主成分として、その他、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｒの少なくとも１種を含んでいてもよい。
【００２１】
（工具の用途）
本発明工具の具体的用途例は、フライス加工用の切削チップ、旋削加工用の切削チップなどの刃先交換型チップが挙げられる。
【００２２】
（被削材）
本発明工具が特に有効な被削材としては、低炭素鋼、中炭素鋼、高炭素鋼などの鋼一般の他、ステンレスなどが挙げられる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
超硬合金基材の直上の表面被覆膜にＡｌ２Ｏ３結晶粒を分散させて具える被覆切削工具を作製し、切削試験を行ってみた。
【００２４】
超硬合金基材は、以下のように作製した。７７．０ＷＣ−６．５ＴｉＣ−９．０ＴａＣ−７．５Ｃｏ（重量％）の組成の材料粉末を配合し、ボールミルで７２時間湿式混合して乾燥した後、ＩＳＯ・ＳＮＭＧ１２０４０８の形状でブレーカ形状が施された圧粉体にプレス成形した。このプレス体を焼結炉にて最高温度１５００℃で１時間保持して焼結し、超硬合金基体を得た。得られた基体のボス面を２７０＃のダイヤモンド砥石で研削加工し、３２０＃の炭化珪素砥粒を含有したポリアミド系樹脂製ブラシで刃先稜線部にホーニング加工を施し、超硬合金基材を得た。
【００２５】
上記得られた基材に以下のようにしてＡｌ２Ｏ３結晶粒を分散形成した。上記得られた基材をアセトン中で超音波洗浄した後、表１に示す種々の平均粒径を有するＡｌ２Ｏ３結晶粒の砥粒とアルコールとを混ぜた溶液を基材表面にスプレー塗布した後、基材を自然乾燥させてＡｌ２Ｏ３結晶粒が分散した基材を得た。本例において溶液の濃度は、アルコールの重量に対するＡｌ２Ｏ３結晶粒の重量の割合とし、０．０００１〜１０重量％とした。また、スプレー時間は、０．５〜６０秒とした。
【００２６】
上記Ａｌ２Ｏ３結晶粒が表面に分散された基材にＣＶＤコーティング装置にて被覆膜を形成し、表面被覆膜に対してＡｌ２Ｏ３結晶粒が分散形成された被覆切削工具を得た。表１にＡｌ２Ｏ３結晶粒の存在比率、被覆膜の組成、被覆膜の膜厚を示す。存在比率は、基材直上の表面被覆膜１５０μｍ２に対する表面被覆膜１５０μｍ２に含まれるＡｌ２Ｏ３結晶粒の面積の割合として求めた。存在比率は、上記溶液の濃度及びスプレー時間を変化させることで異ならせた。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
各被覆膜の成膜条件を表２に示す。なお、表１に示す被覆膜は、基材により近いものを左側に順に記載している。また、表１、２においてα−Ａｌ２Ｏ３とは、α型酸化アルミニウムを示し、αを付していないものは、κ型酸化アルミニウムとする。柱状ＴｉＣＮとは、柱状構造の膜組織を有するＴｉＣＮ、柱状との断りがないものは、柱状構造の膜組織を有さないＴｉＣＮである。
【００２９】
【表２】
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【００３０】
上記得られた被覆切削工具について、下記の切削条件にて切削試験を行い、工具寿命までの加工時間を測定した。工具寿命は、工具基材に欠損が生じたとき、又は逃げ面摩耗量が０．３ｍｍ超となったときを寿命と評価した。試験結果を表１に示す。
【００３１】
（切削条件）
被削材：ＳＣＭ４３５　溝付き丸棒材
切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ
送り：０．３０ｍｍ／ｒｅｖ．
切込み：１．５ｍｍ
切削時間：工具寿命までの加工時間
切削油：使用せず（乾式）
【００３２】
表１に示すように表面被覆膜（本例では、ＴｉＮ膜）にＡｌ２Ｏ３結晶粒を分散させて存在させた試料Ｎｏ．１〜５及び７〜１１は、表面被覆膜にＡｌ２Ｏ３結晶粒を具えていない試料Ｎｏ．６と比較して工具寿命が長いことが分かる。これは、試料Ｎｏ．１〜５及び７〜１１では、被覆膜に熱亀裂が生じにくかったことで、工具の耐欠損性を向上させたためであると考えられる。
【００３３】
試料Ｎｏ．１〜５は、Ａｌ２Ｏ３結晶粒の平均粒径が０．００１μｍ以上５μｍ以下で存在比率が０．００１％以上２０％以下、及び被覆膜のトータル膜厚が１．０μｍ以上３０μｍ以下の少なくともいずれかを満たしていない試料Ｎｏ．７〜１１とを比較して、工具寿命がより長いことが分かる。具体的には、試料Ｎｏ．７は、Ａｌ２Ｏ３結晶粒の平均粒径が大きく存在比率が低くかつトータル膜厚が厚いことで、被覆膜に熱亀裂が発生し易く、耐欠損性を向上しにくかったと思われる。試料Ｎｏ．８は、Ａｌ２Ｏ３結晶粒の平均粒径が大きく存在比率が高くかつトータル膜厚が薄いことで、高存在比率により基材と被覆膜との密着力が不足して膜剥離が生じ、薄膜により耐摩耗性が不足する結果となって工具寿命が短くなったと思われる。試料Ｎｏ．９は、Ａｌ２Ｏ３結晶粒の平均粒径が小さくかつ存在比率が高いことで、熱亀裂が発生し易く、また密着力が不足し易かったと思われる。試料Ｎｏ．１０は、膜厚が厚いことで、熱亀裂の抑制効果が得られにくく欠損が発生し、工具寿命が短くなったと思われる。試料Ｎｏ．１１は、逆に膜厚が薄いことで、被覆膜の耐摩耗性が不十分となり、短寿命になったと思われる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明切削工具によれば、基材直上の表面被覆膜に、基材の熱膨張係数と表面被覆膜の熱膨張係数との中間の熱膨張係数を有する分散材を分散的に具えることで、被覆膜の熱亀裂を抑制することができるという優れた効果を奏し得る。被覆膜の熱亀裂を抑制することで、膜の熱亀裂に伴う工具の欠損を抑え、工具の耐欠損性を向上させて工具の寿命をより長くすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明工具の断面における部分模式図である。
【符号の説明】
１　切削工具　２ａ、２ｂ、２ｃ　分散材　３　被覆膜　３ａ　表面被覆膜　３ｂ　硬質膜
４　基材
【図１】
2004114265.tif 000005