(57)【要約】      （修正有）【課題】高速、高能率加工やドライ加工といった刃先が高温状態にさらされる使用環境下であっても、耐欠損性及び耐剥離性に優れ、使用寿命が長い表面被覆切削工具を提供する。【解決手段】基材表面に最外層と内層とからなる被覆層を具える表面被覆切削工具である。内層は、耐摩耗性の向上を図るべく、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TiCNからなるチタン含有層を具える。最外層は、潤滑性を付与するべく、窒化系アルミニウムから構成する。そして、内層を密着性に優れるCVD法にて形成し、最外層を圧縮残留応力が付与できるPVD法にて形成する。【選択図】図１
2005297143.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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、基材上に化学的蒸着法にて形成される内層と、この内層上に物理的蒸着法にて形成される最外層とからなり、
前記内層は、
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TiCNからなるチタン含有層を具え、
前記最外層は、
Alの窒化物、炭窒化物、窒酸化物、炭窒酸化物から選ばれるいずれかのアルミニウム化合物からなることを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
最外層には、B、F、Mg、Si、Ca、V、Cr、Zn、Zr、Tiから選ばれる1種以上の付加元素が含まれ、
前記付加元素の含有量は、Alと付加元素とで100原子％として、0超10原子％未満であることを特徴とする請求項1に記載の表面被覆切削工具。
【請求項３】
最外層には、塩素が含まれないことを特徴とする請求項1又は2に記載の表面被覆切削工具。
【請求項４】
更に、内層には、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層を具えることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
但し、化合物層は、チタン含有層と異なる層とする。また、第一元素がBのみの場合、第二元素は、B以外とする。
【請求項５】
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項1〜4のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項６】
最外層の膜厚は、0.03μm以上10μm以下、被覆層全体の膜厚は、0.1μm以上30μm以下であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項７】
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が、切削工具断面から観察する方法で測定される5μmに対してRmaxで1.3μm以下であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項８】
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、ダイヤモンド焼結体、窒化ケイ素焼結体、及び酸化アルミニウムと炭化チタンとを含む焼結体のいずれかから構成されることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項９】
表面被覆切削工具は、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、リーマ及びタップのいずれかであることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項１０】
物理的蒸着法がアーク式イオンプレーティング法、又はマグネトロンスパッタ法であることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材表面に被覆層を具える切削工具に関するものである。特に、高速、高能率加工やドライ加工などの刃先が高温となる環境下であっても、被覆層が剥離しにくく、耐欠損性に優れ、工具寿命が長い表面被覆切削工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、機械加工の現場では、加工コストの低減や需要の変化などにより、高速、高能率加工や高精度、高品位が志向されると共に、被削材も多様化してきている。また、1990年代後半以降、地球温暖化やダイオキシン問題などの環境汚染に対する関心が高まる中で、機械加工においても地球環境保全、作業環境改善の観点から切削油の使用を極力抑制すること、究極的には切削油を一切使わず完全なゼロエミッション加工となるドライ加工とすることが要請されている。ドライ加工は、切削油を使用しないため冷却効果が少なく、切削時、刃先に対する負荷や刃先温度の上昇が大きく、上記高速、高能率加工といった加工も同様に刃先に対する負荷や刃先温度の上昇が大きい。このような背景から、切削工具は、耐熱性(耐酸化性)、800〜900℃といった高温における耐摩耗性といった性能がますます重要視されており、工具材料に要求される特性は、厳しくなる一方である。
【０００３】
上記要求を満たすべく、工具基材の表面に炭化チタン(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(Al2O3)、ジルコニア(ZrO2)などの酸化物系セラミックスからなる被覆層を具える切削工具が広く利用されている。例えば、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切削工具が開示されている。また、耐酸化性などの特性を向上するべく、窒化アルミニウムか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2、3参照)。
【０００４】
【特許文献１】特開平11-124672号公報
【特許文献２】特公昭59-27302号公報
【特許文献３】特開2002-273607号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の切削工具では、更なる高速、高能率加工や切削油を全く用いないドライ加工を行うために不十分な切削性能を有していない。耐酸化性や耐摩耗性などの切削性能に優れる膜を具えていても、切削初期に剥離したり、欠損が生じると、膜の特性を十分に発揮させることができない。従って、剥離や欠損などを発生させることなく、より長時間に亘って基材表面に被覆層を維持することができる切削工具の開発が望まれている。
【０００６】
図1は、切削工具の典型的な刃先部分の構造を示す断面模式図である。通常、基材10において刃先は、図1(A)に示すように逃げ面11とすくい面12とから構成され、多くの場合、逃げ面11とすくい面12とがつくる角αは、鋭角又は直角である。このような形状の刃先に被膜20を形成すると、逃げ面11の膜厚aやすくい面12の膜厚bに比べて刃先先端部分の膜厚cが大きくなる。
【０００７】
上記被膜20を具える切削工具において、刃先の理想的な摩耗の進行を説明すると、図1(B)に示すように、まず、刃先先端部分の被膜20から徐々に摩耗され、図1(C)に示すように基材10に達した後、図1(D)に示すように基材10が露出されながら被膜20と共に摩耗されていくことである。
【０００８】
しかし、本発明者らが被覆層を具える切削工具の摩耗状態を詳細に調査した結果、従来の切削工具では、上記図1(B)〜(D)のように摩耗が進行せず、切削初期において、図1(E)に示すように被膜20だけでなく基材10の刃先先端部分が既になくなって基材10が露出しており、その形態から、通常、摩耗と考えられていた損傷は、実は欠損であることがわかった。また、基材10において露出部分13は、既に酸化していることがわかった。これらのことから、上記特許文献に記載されるような耐酸化性や耐摩耗性などに優れる被覆層を具えていても、切削初期に基材が露出されることで、工具寿命の著しい向上は困難であると考えられる。
【０００９】
そこで、本発明の主目的は、基材との密着性及び耐欠損性に優れる被覆層を具えて、工具寿命をより長くすることができる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】
【００１０】
本発明は、潤滑性を付与するべく最外層の組成を規定し、耐摩耗性の向上を図るべく、内層の組成、結晶構造、配向性を規定すると共に、基材との密着性及び耐欠損性の向上を図るべく、最外層の成膜方法と内層の成膜方法とを異ならせることで上記目的を達成する。
【００１１】
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＞
I.  化学的蒸着法にて形成する
II.  以下の条件(1)及び(2)を満たすTiCNからなるチタン含有層を具える
(1)アスペクト比3以上の柱状組織を有する
(2)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
＜最外層＞
I.  物理的蒸着法にて形成する
II.  Alの窒化物、炭窒化物、窒酸化物、炭窒酸化物から選ばれるアルミニウム化合物からなる膜から構成される
【００１２】
本発明者らは、高速、高能率加工や切削油を全く使用しないドライ加工などといった過酷な条件であっても、切削工具の寿命をより長くするには、被覆層の耐酸化性や耐摩耗性の向上はもちろんのこと、切削初期に起こる刃先の欠損やチッピング、膜の剥離に伴う基材の露出を抑制することが効果的であるとの知見を得た。そして、耐欠損性の向上には、最外層を圧縮残留応力が付与できる物理的蒸着法にて形成することと共に、比較的硬度が低い窒化系アルミニウムから構成すること、また、被覆層と基材との密着性の向上には、内層を化学的蒸着法にて形成することが好適であるとの知見を得た。このとき、特に、内層を特定の組成、構造を有する化合物から構成することで、耐摩耗性の向上を図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。以下、本発明をより詳しく説明する。
【００１３】
(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、Alの窒化物、炭窒化物、窒酸化物、炭窒酸化物から選ばれるいずれかのアルミニウム化合物からなるものとする。これら窒化系アルミニウムは、六方晶系の結晶構造であり、20GPa以下と比較的低硬度である、1000℃を超えても酸化が進行しにくい(耐酸化性に優れる)、鉄鋼材料との反応性も低いといった性質を有する。上記のように比較的低硬度であることで、欠損することなく被膜の摩耗が進行して、内層の欠損を抑制することができる。また、被削材との反応性が低いことから、刃先の凝着が抑制されるため、刃先表面の潤滑性を高めることができ、切削抵抗を低減して、突発的な欠損やチッピングを抑制すると共に、被削材の面品位をも向上することができるという効果も得られる。
【００１４】
そして、本発明では、上記窒化系アルミニウムからなる最外層を物理的蒸着法(以下、PVD法と呼ぶ)にて形成する。耐欠損性を向上させるには、被膜に圧縮残留応力が付与されることが好ましい。通常、化学的蒸着法(以下、CVD法と呼ぶ)による被膜は、高温で成膜されるため基材との密着性に優れるが、成膜時の熱応力により引っ張り応力が残留するため、膜表面に亀裂が発生し易い。この亀裂は、切削時に被膜から基材に伝搬して耐欠損性を低下させる恐れがある。そこで、本発明では、耐欠損性を向上するべく、最外層に圧縮残留応力を付与するために、PVD法にて最外層を形成する。
【００１５】
上記残留圧縮応力値は、-5GPa以上0GPa以下であることが好ましい。残留応力値が0GPa超となると、被膜に引っ張り残留応力が負荷されることとなり、CVD法よる膜と同様に亀裂が入り易くなるため、耐欠損性の更なる向上が望めない。-5GPa未満であると、圧縮残留応力が大き過ぎて、切削を行う以前に刃先部分で被膜が剥離したり、チッピングを起こしたりする恐れがあり好ましくない。残留応力は、成膜条件を変化させることで調整することができる。例えば、成膜温度、ガス圧力、バイアス電圧などを調整することで制御できる。
【００１６】
本発明では、上記のように結晶性が高く、圧縮残留応力が付与された最外層を形成することができるように、最外層の成膜方法としてPVD法を採用する。PVD法としては、例えば、バランスドマグネトロンスパッタリング法、アンバランスドマグネトロンスパッタリング法、イオンプレーティング法などが挙げられる。特に、原料元素のイオン化率が高いアーク式イオンプレーティング法(カソードアークイオンプレーティング)が最適である。カソードアークイオンプレーティングを用いると、最外層を形成する前に、内層の表面に対して、金属のイオンボンバードメント処理が可能となるため、最外層と内層との密着性を格段によくすることができるので、密着性という意味からも好ましいプロセスである。
【００１７】
上記最外層には、B、F、Mg、Si、Ca、V、Cr、Zn、Zr、Tiから選ばれる1種以上の付加元素が含まれていてもよい。B、Mg、Ca、V、Cr、Zn、Zrの少なくとも1種が含まれる場合、切削中の温度上昇により工具表面で酸化反応が起こることで形成されるこれら元素の酸化物により、主成分であるAlの酸化物を緻密化させる作用がある。また、B、Vの酸化物は、低融点であるため、切削時、潤滑剤として作用したり、Mg、Ca、Zn、Zrの酸化物及びFは、被削材の凝着を抑える効果がある。更に、V、Cr、Zr、Tiの窒化物、炭窒化物、窒酸化物、炭窒酸化物は、導電性を示すことから、成膜時、カソードの放電が安定すると共に、基板に印加される直流バイアス電圧が有効となる、即ち、電流が流れ易くなるため、好ましい。上記付加元素の含有量は、Alと付加元素とで100原子％として、0超10原子％未満が好ましい。
【００１８】
上記最外層の膜厚は、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、耐欠損性及び潤滑性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、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、0.03μm以上10μm以下が好ましい。0.03μm未満では、十分な耐欠損機能、潤滑機能が得られにくく、10μm超では、上記と同様に内層よりも最外層の方が厚くなって、耐摩耗性を低下させ易い。膜厚の測定法は、例えば、被覆層を具える切削工具を切断し、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できる。
【００１９】
上記最外層において、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される5μmに対してRmaxで1.3μm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が1.3μmより粗くなると、被削材の溶着が発生し易くなり、欠損抑制効果や潤滑効果などが発揮しにくくなることが判った。この面粗さは、最外層成膜後、切削工具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被膜表面の凹凸状況を基準長さ5μmの範囲で観察した際の最大面粗さ(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、引いては膜表面の面粗度が粗くなる。そこで、成膜温度を低めにすることが挙げられる。このように成膜後、特別な処理を施すことなく成膜完了状態においてRmaxで1.3μm以下とすることができるが、成膜後に、例えば、バフ、ブラシ、バレルや弾性砥石などによる研磨を施したり、マイクロブラスト、ショットピーニング、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。
【００２０】
＜内層＞
本発明では、最外層よりも基材側に設ける内層として、後述する特定の組織と配向性とを具えるTiCNからなるチタン含有層を基材表面に被覆して耐摩耗性を持たせ、上記最外層の特性に加えて、耐摩耗性をも兼ね備える切削工具を提供する。特に、上記内層をCVD法にて形成することにより、被覆層と基材との密着性を向上することで、上記被覆層の特性を有効に発揮させ、工具寿命の延命化を実現する。CVD法としては、例えば、熱CVD法、プラズマCVD法などが挙げられる。
【００２１】
《チタン含有層》
本発明においてチタン含有層は、アスペクト比3以上の柱状組織を有し、かつ結晶面が特定の結晶配向を有するTiCN膜のことで、刃先が高温となるような厳しい切削環境下において耐摩耗性を向上して、引いては工具寿命の延命化を図ることができるとの知見より、結晶配向を規定する。具体的には、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)のいずれかが配向性指数の最大値をとるものとする。配向性指数TCは、以下のように定義される。
【００２２】
【数１】
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【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、チタン含有層の成膜条件(成膜温度、成膜圧力、ガス組成、ガスの流速、ガスの流量、ガスの導入手順など)を適宜変更させる方法が挙げられる。また、チタン含有層の直下又は下方にある基材の表面状態、又はチタン含有層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Zmaxで0.05μm以上1.3μm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チタン含有層を成膜してもよい。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チタン含有層を成膜してもよい。
【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  JCPDS  International  Center  for  Diffraction  Data)に記載がない。そのため、当該炭窒化物であるTiCNからなるチタン含有層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】
また、上記チタン含有層は、耐摩耗性の向上を図るべく、アスペクト比3以上の柱状組織を有するものとする。アスペクト比が3未満であると、高温切削条件下において、耐摩耗性が低下し、目的とする耐摩耗性の向上が図られないからである。
【００２６】
柱状組織とするには、柱状構造が得られ易いCH3CN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℃以上950℃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0.05μm以上1.5μm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、チタン含有層の成膜条件(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、チタン含有層の直下又は下方にある基材の表面状態、又はチタン含有層の直下又は下層にある被覆層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Zmaxで0.05μm以上1.5μm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チタン含有層を成膜してもよい。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0.01μm以上1.0μm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チタン含有層を成膜してもよい。
【００２７】
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、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。
【００２８】
《化合物層》
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チタン含有層とし、その他の膜としては、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層とすることが好ましい(但し、第一元素がBのみの場合、第二元素は、B以外とする)。即ち、内層を複数膜にて形成する場合、上記チタン含有層と、上記化合物層にて構成することが好ましい。この化合物層は、上記チタン含有層と異なるものとする。即ち、チタン含有層と組成が異なる膜としてもよいし、化合物層をTiCNからなる膜とする場合、組織又は配向性を異ならせればよい。また、この化合物層は、上記チタン含有層と同様にCVD法にて形成する。
【００２９】
これらチタン含有層、化合物層はそれぞれ、単一の膜でもよいし、複数の膜から形成してもよい。チタン含有層を複数の膜にて構成する場合、配向性が異なる膜とすることが挙げられる。化合物層を複数の膜にて構成する場合、各膜の組成や組織などを異ならせることが挙げられる。また、化合物層を具える場合、チタン含有層、化合物層のいずれを基材側にしてもよい。即ち、基材側から順に、チタン含有層、化合物層、最外層としてもよいし、基材側から順に、化合物層、チタン含有層、最外層としてもよい。化合物層を最内層とする場合、基材との密着性が高い窒化チタン(TiN)からなる膜とすることが好ましい。
【００３０】
上記最外層及び内層からなる被覆層全体の膜厚は、0.1μm以上30.0μm以下とすることが好ましい。被覆層全体の膜厚が0.1μm未満の場合、耐摩耗性が損なわれ易い。30.0μm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、欠損が生じ易く、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。なお、被覆層を成膜後、従来と同様に切れ刃稜線部に研磨処理やレーザー処理などの表面処理を施してももちろんよい。本発明工具は、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。
【００３１】
本発明は、被覆層を形成するにあたり、上記のようにPVD法とCVD法との双方の成膜方法を利用し、基材表面にCVD法にて成膜された内層があり、引き続いてPVD法で成膜された最外層を具える構成である。また、本発明では、最外層をPVD法にて形成しているため、塩化系ガスを利用することが多いCVD法にて形成する場合と異なり、被膜の劣化を起こす恐れがあるClが最外層中に含有されない。
【００３２】
(基材)
本発明において基材は、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、ダイヤモンド焼結体、窒化ケイ素焼結体、及び酸化アルミニウムと炭化チタンとを含む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。また、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β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った表面改質層が基材表面に存在しても本発明の効果は認められる。
【００３３】
本発明工具は、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、リーマ及びタップのいずれかとすることが挙げられる。
【発明の効果】
【００３４】
以上説明したように本発明は、被覆層として、耐欠損性、潤滑性に優れる最外層及び耐摩耗性に優れる内層を具えると共に、これら被覆層の機能を十分に発揮するべく、成膜方法を規定することで、ドライ加工や高速、高能率加工といった刃先が高温状態にさらされる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】
【００３５】
以下、実施例を用いて、本発明表面被覆切削工具を具体的に説明する。各試料において、被覆層の組成はXPSよって、残留応力はX線回折法によって、膜硬度はナノインデンター(MTS社製Nano  Indenter  XP)によって、焼き付き性はSUJ2を相手材として大気中800℃の条件で高温型ピン・オン・ディスク式トライボ試験器(SCM社製TRIBOMETER/HT-800)によって確認した。また、被覆層のうち、最外層は、以下に示すカソードアークイオンプレーティング法以外のPVD法、例えば、バランスドスパッタリング法やアンバランスドスパッタリング法など、内層は、以下に示す熱CVD法以外のCVD法、例えば、プラズマCVD法などによっても成膜可能である。
【実施例１】
【００３６】
(試験例1)
組成がWC：86質量％、Co：8.0質量％、TiC：2.0質量％、NbC：2.0質量％、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、ブレーカ形状が施された圧粉体にプレス成型した。この圧粉体を真空雰囲気中で1420℃、1時間の条件で焼結炉にて焼結を行い、焼結体を得た。得られた焼結体の刃先稜線部にSiCブラシホーニング処理を施して面取り加工を行い、ISO・SNMG120408のWC基超硬合金からなるスローアウェイチップ基材を得た。
【００３７】
この基材表面にCVD法の一種である熱CVD法を用いて内層を形成した。本例では、基材側から順に、TiN(0.5μm)、柱状組織TiCN(6μm)、TiBN(0.5μm)、κ-Al2O3(2μm)とした。表1に各膜の成膜条件、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(℃)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)面が最大値をとなるように成膜させた。具体的には、反応ガスにCH3CNを用い、温度：900℃、圧力：8kPaとすると共に、TiCN膜の下層に形成したTiN膜の表面粗さがZmaxで0.1μm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。
【００３８】
【表１】
2005297143.tif 000004
【００３９】
次に最外層の成膜方法を説明する。公知のカソードアークイオンプレーティング装置の基材ホルダに、既に内層が形成された基材を装着し、真空ポンプにてチャンバ内の圧力を減圧すると共に、基材ホルダを回転させながら装置内に設置されたヒータにて基材を温度650℃に加熱し、チャンバ内の圧力が1.0×10-4Paとなるまで真空引きを行った。次に、チャンバ内にアルゴンガスを導入して、チャンバ内の圧力を3.0Paに保持し、基材バイアス用電源の電圧を徐々に上げていって-2000Vとし、工具表面のクリーニングを15分間行った。その後、チャンバ内のアルゴンガスを排気した。
【００４０】
次に、最外層を構成する被膜成分の金属蒸発源である合金製ターゲットを配置して、反応ガスとして窒素、メタン、酸素のうち、所望の被膜が得られるガスを導入させながら、基板温度650℃、反応ガス圧2.0Pa、基板バイアス電圧を200Vに維持したまま、カソード電極に100Aのアーク電流を供給して、アーク式蒸発源(Alを主成分とする金属)から金属イオン(アルミニウムイオン)を発生させて最外層を形成した。そして、所定の膜厚(2μm)となったところで蒸発源に供給する電流をストップさせて、表2に示す組成の最外層を具える切削チップを得た(試料1-1〜1-4)。これら切削チップにおいて、刃先稜線部分近傍で被削材と接触する箇所の最外層の面粗さを調べたところ、いずれの試料も、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5μmに対して、Rmaxで1.3μm以下、具体的には、例えば、試料1-2では、Rmaxで0.6μmであった。また、従来品として、上記PVD法による最外層を具えていない切削工具、即ち、CVD法による被覆層のみを有する試料1-5(被覆層の組成は、上記内層と同様の組成)も用意した。これら被覆層を具える切削チップにおいて、最外層のClの含有量(原子％)、最外層の残留応力、被覆層のナノインデテーション硬さ(GPa)、焼き付き状態を調べてみた。その結果を表2に示す。なお、試料No.1-5における最外層(CVD法によるκ-Al2O3膜)のCl含有量は、0.1原子％程度であった。また、表2においてCl含有量が「ND」と表記されているものは、XPSによる分析での検出限界以下を示す。ナノインデテーション硬さの測定は、被覆層に対して、圧子の押し込み深さが被覆層全体の膜厚の1/10以下となるように押し込み荷重を制御して行った。
【００４１】
【表２】
2005297143.tif 000005
【００４２】
上記被覆層を具える切削チップを用いて、表3に示す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、膜剥離が生じたときを工具寿命とした。耐摩耗性試験では、逃げ面摩耗量が300μmに達したときを工具寿命とした。試験の結果を表4に示す。
【００４３】
【表３】
2005297143.tif 000006
【００４４】
【表４】
2005297143.tif 000007
【００４５】
表4に示すようにPVD法にて形成した窒化系アルミニウム膜を最外層として具える試料1-1〜1-4は、ドライ加工であっても、工具寿命が長いことがわかる。これは、窒化系アルミニウム膜がチッピングや欠損が生じにくく、潤滑性が付与されて切削抵抗を下げることで膜が剥離しにくくなったためであると考えられる。特に、PVD法にて形成したことで耐欠損性を高めることができたと考えられる。また、耐摩耗性に優れる内層を密着性に優れるCVD法により形成したことで、被覆層と基材との密着性を向上して、被覆層が有する機能を十分に発揮することができたためであると考えられる。更に、これらの試料1-1〜1-4は、表2に示すように高温環境下でも焼き付きが少なく、耐熱性に優れることがわかる。
【００４６】
(試験例2)
試験例1で用いた超硬合金基材と同様の切削チップ基材を作製し、得られた基材表面に熱CVD法を用いて表1に示す成膜条件(ガス組成、圧力、温度)にて内層を形成した。本例では、基材側から順に、TiN(0.5μm)、柱状組織TiCN(4μm)又は粒状組織TiCN(4μm)、TiBN(0.5μm)、Al2O3-ZrO2(1.5μm)とした。この内層の上に試験例1と同様の条件(カソードアークイオンプレーティング)にて、最外層としてAlN(表2試料1-1；2μm)を形成した。膜厚は、成膜時間により調整した。本例においてTiCN膜は、成膜条件を変えることで、柱状組織又は粒状組織を有するものをそれぞれ形成した。柱状組織TiCN膜は、表1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CH3CNを用い、ガス温度920℃、圧力6kPaとし、CH3CN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(チタン含有層に相当)。また、基材の表面粗さをZmaxで0.09μm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、TiCN膜の配向性指数の最大値TC(422)とした。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5μmに対してRmaxで0.4μm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5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。
【００４７】
【表５】
2005297143.tif 000008
【００４８】
表5に示すTiCN膜を内層に具える各試料を用いて、以下の切削条件にて連続切削加工を行い、工具寿命までの加工時間を測定した。工具寿命は、逃げ面摩耗量が300μmに達したときとした。試験の結果も表5に示す。
【００４９】
被削材：SUS材  丸棒による耐摩耗試験
速  度：V＝200m/min
送  り：f＝0.2mm/rev.
切込み：d＝1.5mm
切削油：なし
【００５０】
その結果、表5に示すよう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2-1〜2-3は、ドライ加工であっても、耐摩耗性を維持することができ、最外層のAlN膜の潤滑効果、欠損抑制効果と合わせて、切削工具の長寿命化が図れることがわかる。特に、内層をCVD法にて形成したことで、被覆層の基材との密着性に優れ、上記耐摩耗性、潤滑性、耐欠損性といった特性を十分に発揮できたと考えられる。
【００５１】
(試験例3)
試験例1で用いた超硬合金基材と同様の切削チップ基材を作製し、得られた基材表面に熱CVD法を用いて表1に示す成膜条件(ガス組成、圧力、温度)にて内層を形成した。そして、この内層の上に試験例1と同様の条件(カソードアークイオンプレーティング)で最外層を形成し、被覆層を具える切削チップを得た(試料No.3-1〜3-19,3-21)。また、最外層もCVD法にて形成した切削チップを得た(試料No.3-20)。表6に被覆層を構成する各被膜の組成、各被膜の膜厚を示す。表6に示す各膜は、基材に近い方から順に、第一膜、第二膜…としている。膜厚は、成膜時間により調整した。また、本例において、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(チタン含有層に相当)。
【００５２】
【表６】
2005297143.tif 000009
【００５３】
表6に示す被覆層を有する切削チップを用いて、以下の切削条件にて連続切削加工を行い、工具寿命までの加工時間を測定した。工具寿命は、逃げ面摩耗量が300μmに達したときとした。試験の結果を表7に示す。
【００５４】
被削材：SCM435  丸棒による10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
【００５５】
【表７】
2005297143.tif 000010
【００５６】
その結果、表7に示すようにPVD法による窒化系アルミニウム膜を最外層とし、CVD法による特定のTiCN膜及び特定組成の化合物膜を内層に具える試料3-1〜3-12、3-16〜3-19、3-21は、工具寿命が長くなっていることがわかる。これは、優れた密着性を有すると共に、耐欠損性、潤滑性、耐摩耗性に優れているためであると考えられる。
【００５７】
また、表7に示す結果から、最外層の膜厚は、0.03μm以上10μm以下、全体膜厚は0.1μm以上30μm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かる。
【００５８】
上記試料3-1〜3-21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5μmで測定した結果、試料3-21を除く全てのチップがRmaxで1.3μm以下となっていたが、試料3-21はRmaxで1.9μmであった。そこで、試料3-21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0.52μm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28min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3-3において同様に面粗さを測定したところ、Rmaxで0.78μmであったが、上記と同様の方法で刃先を研磨し、再度切削すると加工時間は51minとなり、大幅に改善された。
【実施例２】
【００５９】
JIS規格K10の超硬合金からなる外径8mmのドリル基材を複数用意し、実施例1と同様の方法により、各基材上にそれぞれ被覆層を形成して、被覆層を具えるドリルを得た。被覆層のうち、内層は試験例1と同様とし、最外層は試料1-1と同様のものとした。また、従来品として、PVD法による最外層を具えていない試料1-5(CVD法による被覆層のみを具える)と同様のものを用意した。これら被覆層を具えるドリルを用いてSCM440(HRC30)の穴開け加工を行い、工具寿命を評価してみた。
【００６０】
切削条件は、切削速度90m/min、送り量0.2mm/rev.、切削油は用いず(エアブローを使用)、深さ24mmの止まり穴加工とした。工具寿命の判定は、被削材の寸法精度が規定の範囲を外れた時点とし、評価は、寿命となるまでの穴開け個数で行った。その結果、試料1-1と同様の被覆層を具えるドリルは、6,500穴加工できたが、試料1-5と同様の被覆層を具えるドリルは、610穴しか加工できなかった。このことから、本発明は、ドライ加工であっても、工具寿命を大きく向上していることが確認された。
【実施例３】
【００６１】
JIS規格K10の超硬合金からなる外径8mmの6枚刃エンドミル基材を複数用意し、実施例1と同様の方法により、各基材上にそれぞれ被覆層を形成して、被覆層を具えるエンドミルを得た。被覆層のうち、内層は試験例1と同様とし、最外層は試料1-2と同様のものとした。また、従来品として、PVD法による最外層を具えていない試料1-5(CVD法による被覆層のみを具える)と同様のものを用意した。これら被覆層を具えるエンドミルを用いてSKD11(HRC60)のエンドミル側面削り加工を行い、工具寿命を評価してみた。
【００６２】
切削条件は、切削速度200m/min、送り0.03mm/刃、切込み量Ad＝12mm；Rd＝0.2mm、切削油は用いず(エアブローを使用)とした。工具寿命の判定は、被削材の寸法精度が規定の範囲を外れた時点とし、評価は、寿命となるまでの加工長で行った。その結果、試料1-2と同様の被覆層を具えるエンドミルは、195m切削できたが、試料1-5と同様の被覆層を具えるエンドミルは、15mしか加工できなかった。このことから、本発明は、ドライ加工であっても、工具寿命を大きく向上していることが確認された。
【実施例４】
【００６３】
基材にcBN焼結体を用いた切削チップ基材を作製し、この切削チップ基材に被覆層を形成して切削加工を行い、工具寿命を評価してみた。cBN焼結体は、超硬合金製ポット及びボールを用いて、質量％でTiN：40％、Al：10％からなる結合材粉末と平均粒径2.5μmのcBN粉末：50％とを混ぜ合わせ、超硬合金製容器に充填し、圧力5GPa、温度1400℃で60分焼結することで得た。このcBN焼結体を加工して、ISO規格SNGN120408の形状の切削チップ基材を得た。このようなチップ基材を複数用意した。そして、実施例1と同様の方法により各チップ基材上にそれぞれ被覆層を形成して、被覆層を具える切削チップを得た。被覆層は、実施例として、試料3-1と同様の被覆層を具える試料、従来品として、PVD法による最外層を具えていない試料1-5(CVD法による被覆層のみを具える)と同様の被覆層を具えるものを用意した。これら被覆層を具える切削チップを用いて、SCM415の丸棒(HRC62)の外周切削加工を行い、工具寿命を評価してみた。
【００６４】
切削条件は、切削速度160m/min、切込み0.1mm、送り0.08mm/rev.、切削油は用いずとした。工具寿命の判定は、被削材の面粗さがRzで3.2μmとなる時点とし、評価は、寿命となるまでの切削時間で行った。なお、上記切削条件にて1分間切削後の被削材の面粗さRzを初期面粗度とした。面粗さRzは、JIS  B0601に定められた10点平均粗さである。その結果、試料3-1と同様の被覆層を具える切削チップは、初期面粗度がRzで1.2μmであり、Rzで3.2μmとなるまでに80分加工できたのに対して、試料1-5と同様の被覆層を具える切削チップは、初期面粗度がRzで3.4μmであり、Rzで3.2μmとなるまでに7分しか加工できなかった。このことから、本発明は、ドライ加工であっても、工具寿命を大きく向上していることが確認された。
【実施例５】
【００６５】
グレードがJIS規格P10の超硬合金からなり、チップ形状：ISO規格のSNMG120408の切削チップ基材を複数用意し、実施例1と同様の方法により、各基材上にそれぞれ被覆層を形成して、被覆層を具える切削チップを得た。被覆層のうち、内層は試験例1と同様とし、最外層は試料1-3と同様のものとした。また、従来品として、PVD法による最外層を具えていない試料1-5(CVD法による被覆層のみを具える)と同様のものを用意した。これら被覆層を具える切削チップを用いてSCM415の丸棒の外周切削加工を行い、被削材の面品位を調べてみた。
【００６６】
切削条件は、切削速度100m/min、切込み2mm、送り0.3mm/rev.、切削時間20分間、切削油使用とした。その結果、試料1-3と同様の被覆層を具える切削チップで切削加工を行った被削材は、虹色の光沢があったが、試料1-5と同様の被覆層を具える切削チップで切削加工を行った被削材は、仕上げ面が白濁し、全く光沢がなくなっていた。このことから、最外層に窒化系アルミニウム膜を具えることで、膜表面の潤滑性が寄与して刃先のチッピングが抑制されると共に、構成刃先の生成も抑制されて切れ味が維持できるため、仕上げ面品位が格段に向上することが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明表面被覆切削工具は、特に、ドライ加工や、高速、高送り加工などといった刃先温度が高温となるような切削条件での切削加工に適する。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】切削工具の典型的な刃先部分の構造を示す断面模式図であり、(A)は、切削前の状態、(B)〜(D)は、理想的な摩耗が行われている場合の切削初期、切削中期、切削後期をそれぞれ示し、(E)は、従来の切削工具において切削初期の摩耗状態を示す。
【符号の説明】
【００６９】
10  基材  11  逃げ面  12  すくい面  13  露出部分  20  被覆膜
【図１】
2005297143.tif 000011