(57)【要約】      （修正有）【課題】  優れた耐欠損性及び耐酸化性を有する表面被覆切削工具を提供する。【解決手段】  基材上にコーティング層を具える表面被覆切削工具であり、コーティング層は、内層及び外層を具える。内層は、周期律表4a、5a、6a族金属、及びAl、Siからなる群から選択される1種以上の元素と、炭素、窒素、酸素からなる群から選択される1種以上の元素との化合物から構成する。外層は、酸化アルミニウムから構成され、この酸化アルミニウムの少なくとも一部が結晶質とする。これら内層及び外層は、圧縮応力を有し、内層中の圧縮応力は、外層中の圧縮応力よりも大きく、かつ1GPa以上3GPa以下とする。そして、これら内層及び外層は、物理蒸着法により被覆する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材上にコーティング層を具える表面被覆切削工具であって、
前記コーティング層は、内層及び外層を具え、
前記内層は、周期律表4a、5a、6a族金属、及びAl、Siからなる群から選択される1種以上の元素と、炭素、窒素、酸素からなる群から選択される1種以上の元素との化合物から構成され、
前記外層は、酸化アルミニウムから構成され、この酸化アルミニウムの少なくとも一部が結晶質であり、
前記内層及び外層は、圧縮応力を有し、
内層中の圧縮応力は、外層中の圧縮応力よりも大きく、かつ1GPa以上3GPa以下であり、
内層及び外層は、物理蒸着法により被覆されたことを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
外層の膜厚は、1.5μm以下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】
内層中の圧縮応力は、外層中の圧縮応力の1.5倍以上である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】
内層中の圧縮応力は、外層中の圧縮応力の2倍以上であ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。
【請求項５】
コーティング層の全体膜厚は、1μm以上10μm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】
内層のうち、基材との界面に被覆される最内層は、TiN又はCrNから構成され、この最内層の膜厚が0.5μm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】
コーティング層は、更に最表面層を具え、
前記最表面層は、TiNから構成され、この最表面層の膜厚が1μm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】
コーティング層は、更に、内層と外層との間に、Tiと酸素とを含む化合物、又はCrと酸素とを含む化合物からなる中間層を具え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】
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、及びダイヤモンド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1〜8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、耐欠損性、耐摩耗性、及び耐酸化性に優れる表面被覆切削工具に関するものである。特に、断続切削、重切削、高速切削に代表される高能率切削、ドライ加工などの刃先温度が非常に高温となる切削条件においても、長時間加工することが可能な表面被覆切削工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、耐摩耗性及び表面保護機能の改善のために、切削工具や耐摩耗工具などの基材表面に、TiAl系の窒化物、炭窒化物からなる硬質の被覆層を単層又は複数層形成することがよく知られている。しかし、上記TiAl系の窒化物、炭窒化物からなる被覆層では、高温環境中での耐酸化性が十分でなく、近年、Siを添加するなどして、耐酸化性を改善する方法が提案されている。
【０００３】
また、最近では、上記TiAl系の窒化物、炭窒化物からなる被覆層ではなく、酸化アルミニウムなどの酸化物からなる膜を基材表面に被覆させることで、高速切削やドライ加工などの刃先温度が高温となる環境に対応可能な工具が開発されている。例えば、特許文献1には、アルミニウムを含む酸化物からなる膜と、Tiの炭化物、窒化物、炭窒化物からなる膜とを基材上に積層することで、耐摩耗性を向上させることが開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開2000-246506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、酸化アルミニウムなどの酸化物は、耐酸化性に優れるものの、非晶質であると耐摩耗性が不十分である問題があり、一方、結晶質成分が多くなると耐摩耗性に優れる反面、耐欠損性が低下しやすい問題があった。このため、上記Tiの炭化物、窒化物、炭窒化物からなる膜との積層膜を具える工具は、酸化アルミニウム層が結晶質を含む場合、工具としての耐欠損性が低くなりやすく、工具の性能向上に十分な効果が得られないという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明の主目的は、耐酸化性、耐欠損性、耐摩耗性の全てに優れ、高発熱切削においても優れた耐摩耗性を有す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】
【０００７】
本発明は、コーティング層の組成を特定し、物理的蒸着法にて形成すると共に、層中の圧縮応力を規定することで、上記目的を達成する。
【０００８】
即ち、本発明は、基材上にコーティング層を具える表面被覆切削工具であり、コーティング層は、内層及び外層を具える。内層は、周期律表4a、5a、6a族金属、及びAl、Siからなる群から選択される1種以上の元素と、炭素、窒素、酸素からなる群から選択される1種以上の元素との化合物から構成する。外層は、酸化アルミニウムから構成され、この酸化アルミニウムの少なくとも一部が結晶質とする。これら内層及び外層は、圧縮応力を有し、内層中の圧縮応力は、外層中の圧縮応力よりも大きく、かつ1GPa以上3GPa以下とする。そして、これら内層及び外層は、物理蒸着法により被覆する。
【０００９】
本発明者らは、耐酸化性及び耐欠損性に優れた切削工具を得るべく、検討を重ねた結果、上記特定組成からなる内層及び外層とすること、内層及び外層の圧縮応力が特定の関係にあること、そして、内層及び外層を物理蒸着法(以下、PVD法と呼ぶ)により被覆することが効果的であるとの知見を得た。具体的には、酸化アルミニウムからなる層を具えることで優れた耐酸化性を有することができる。また、内層及び外層をPVD法により被覆すると共に、内層中の圧縮応力を外層中の圧縮応力よりも大きくし、かつ、外層を構成する酸化アルミニウムの少なくとも一部を結晶質とすることで、耐摩耗性と耐欠損性の両立を図る。酸化アルミニウムの少なくとも一部を結晶質とすると、耐摩耗性が向上し、また、外層である酸化アルミニウム中の圧縮応力を内層よりも小さくすると、大きな外部応力が加わっても酸化アルミニウム層の自己破壊が生じにくく、切削時にコーティング層が欠損せず正常摩耗する。そのため、コーティング層全体の異常チッピングが抑えられ、優れた耐欠損性を得ることができ、工具寿命の安定化、長寿命化を図ることができる。
【００１０】
以下、本発明を詳しく説明する。
(コーティング層)
＜内層＞
基材に具えるコーティング層のうち、内層は、周期律表4a、5a、6a族金属、及びAl、Siからなる群から選択される1種以上の元素と、炭素、窒素、酸素からなる群から選択される1種以上の元素との化合物から構成する。特に、Tiを含む化合物は、耐摩耗性に優れて好ましい。このようなTi化合物として、例えば、TiAlSiN、TiSiN、TiCN、TiAlN、TiAlCN、TiSiCrN、TiZrN、TiNなどが挙げられる。また、内層のうち、基材との界面に被覆される層(最内層)は、TiN又はCrNから構成されることが好ましい。このような最内層を具えることで、基材とコーティング層との密着性を高めることができる。上記最内層の膜厚を0.5μm超としても、密着性の更なる向上が見られないため、最内層の膜厚は、0.5μm以下でよい。内層は、上記化合物からなる単層としてもよいし、複数層としてもよい。即ち、上記最内層のみとしてもよいし、最内層とその他の化合物からなる層とを組み合わせた二層以上としてもよい。二層以上とする場合、内層を構成する層のうちで最も厚い層が後述する圧縮応力の規定を満たすようにする。内層の膜厚は、0.5μm以上8.5μm以下が好ましい。特に、2μm以上5μm以下が好ましい。最内層を具える場合は、上記範囲を満たすことが好ましい。なお、内層は、後述する圧縮応力の規定を満たせば、外層と同様の組成や組織からなる膜としてもよい。即ち、内層は、非晶質の酸化アルミニウムからなる膜としてもよいし、結晶質の酸化アルミニウムからなる膜としてもよい。
【００１１】
＜外層＞
外層は、耐酸化性に優れる酸化アルミニウムから構成されるものとする。特に、本発明では、この酸化アルミニウムの少なくとも一部を結晶質とする。結晶質の含有割合は、5体積％以上が好ましく、30体積％以上がより好ましい。酸化アルミニウムの全てが結晶質であってもよい。結晶質の含有割合は、例えば、TEM観察、X線回折により測定することができる。外層の組織は、例えば、X線回折により回折線形状を測定することで確認できる。また、外層の膜厚が1.5μmを越えると内層との界面で剥離が生じ易くなるため好ましくない。そこで、外層の膜厚は、1.5μm以下が好ましい。十分な耐酸化性の効果を得るには、0.3μm以上、特に、0.5〜1.5μmが好ましい。なお、外層を構成する酸化アルミニウム層中には、Ti、Cr、Si、Zr、Bなどの金属元素や非金属元素が含まれていてもよい。Ti、Si、Bは耐摩耗性の向上、Zrは耐熱性の向上、Cr、Bは耐剥離性の向上に有効である。これら元素の含有量は、0.1質量％〜40質量％程度が好ましい。
【００１２】
＜圧縮応力＞
本発明では、上記内層及び外層は、圧縮応力を有するものとする。特に、内層中の圧縮応力は、外層中の圧縮応力よりも大きくする。内層中の圧縮応力を外層中の圧縮応力の1.5倍以上とすると、より優れた耐欠損性が得られて好ましい。特に好ましくは、2倍以上である。また、内層中の圧縮応力は、1GPa以上3GPa以下とする。1GPa未満、3GPa超であると、優れた耐欠損性、耐摩耗性を得ることが困難である。圧縮応力は、X線を利用して測定することができる。例えば、Cu-Kα線を用いてsin2φ法により測定することが挙げられる。
【００１３】
＜成膜方法＞
耐摩耗性に優れるコーティング層を基材上に被覆するには、高強度の化合物膜、特に、酸化物膜を形成することができる成膜プロセスで作製されることが不可欠である。そこで、種々の成膜方法を検討した結果、PVD法を用いることが好適である。そこで、本発明では、内層及び外層の双方をPVD法により形成することを規定する。PVD法には、スパッタリング法、イオンプレーティング法などがあるが、特に原料元素のイオン率が高いアンバランスドマグネトロンスパッタ法(神戸製鋼所技報  Vol.50  No.2(Sep.2000)参照、以下、UBMスパッタ法と呼ぶ)、デュアルマグネトロンスパッタ法やカソードアークイオンプレーティングが適していることがわかった。なお、PVD法による形成膜は、例えば、膜表面のモフォロジーを調べたり、X線回折により判別することが可能である。
【００１４】
内層中の圧縮応力を1GPa以上3GPa以下にするには、例えば、バイアス電圧を50〜200V、成膜温度を300〜500℃、炉内圧力を1〜3Paにすることが挙げられる。これらのパラメータは、内層を構成する化合物により適宜変更するとよいが、外層被覆時の応力解放を考慮して内層被覆時のコーティング条件を設定することが好ましい。つまり、内層中の圧縮応力を外層中の圧縮応力よりも大きくし、かつ1〜3GPaとするには、例えば、バイアス電圧を外層形成時よりも高めにしたり、成膜温度を外層形成時よりも低めにしたり、成膜時間を外層形成時よりも長くすることなどが挙げられる。更に、外層を構成する酸化アルミニウムの少なくとも一部を結晶質にするには、例えば、成膜温度を500℃以上の高温に設定することや下層の膜質の最
表面に酸素成分を含ませることが挙げられる。例えば、酸化アルミニウム層の直下に酸素を含む化合物からなる膜を被覆してもよい。このような化合物は、例えば、Tiと酸素を含む化合物やCrと酸素を含む化合物などが挙げられる。後述する中間層を設けてもよい。但し、酸化アルミニウム膜の成膜温度を700℃以上の高温とすると内層中の圧縮応力が解放されて小さくなりやすいため、成膜温度を500〜650℃とし、短時間での成膜することが好ましい。
【００１５】
＜その他の層＞
コーティング層には、更に、内層と外層との間に、酸素を含有するTi系化合物やCr系化合物、Tiの酸化物(Ti2O3、TiO2)、Crの酸化物(Cr2O3)からなる中間層を具えると、内層と外層との間の密着力が向上して好ましい。酸素を含有するTi系化合物としては、TiCNOなどが挙げられる。酸素を含有するCr系化合物としては、CrONが挙げられる。このような中間層もPVD法により形成するとよい。また、中間層の膜厚は、0.1〜0.5μmが好ましい。このような中間層を具えることで、中間層の上層に設けられる酸化アルミニウムが結晶質となり易い。
【００１６】
コーティング層には、更に、外層の外側に最表面層を具えていてもよい。最表面層は、特に、TiNからなる層とすると、切削加工面の面粗さを向上させることができ、好ましい。TiNからなる最表面層の膜厚を1μm超としても、上記効果の更なる向上が見られないため、TiNからなる最表面層の膜厚は、1μm以下とするとよい。この最表面層もPVD法により形成することが好ましい。
【００１７】
＜合計膜厚＞
コーティング層は、合計膜厚が1.0μm以上10μm以下であれば良好な耐摩耗性を示す。合計膜厚が1.0μm未満であると、コーティング層の耐摩耗性効果が発揮されにくく、10μmを越えると、コーティング層が欠損したり剥離し易くなるため好ましくない。中間層、最表面層を具える場合も、上記合計膜厚の範囲を満たすことが好ましい。
【００１８】
(基材)
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、及びダイヤモンド焼結体のいずれかから構成されるものであることが望ましい。公知の組成のものを利用してもよい。
【発明の効果】
【００１９】
上記構成を具える本発明表面被覆切削工具は、耐酸化性、耐欠損性、及び耐摩耗性の全てに優れるという特有の効果を奏する。そのため、本発明切削工具は、特に高速、ドライ加工などといった刃先温度が非常に高温となる切削条件においても、優れた耐摩耗性を示し、長時間加工することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【実施例１】
【００２１】
ISO規格：型番CNMG120408形状、K20超硬合金(Co：10質量％)からなる旋削加工用刃先交換チップ基材に表1に示すコーティング層を被覆した刃先交換チップを作製した。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
本例においてコーティング層の形成は、UBMスパッタ法にて行った。具体的には、以下の通りである。図1は、成膜装置の概略構成を示す模式図である。図1に示す成膜装置10内に複数のアーク蒸発源11、12及びアンバランスドマグネトロンスパッタ蒸発源(以下、UBMスパッタ源と呼ぶ)13を配置し、蒸発源11〜13間の中心点Cを中心としてこれらの蒸発源11〜13間で回転可能な保持具14に基材20である上記切削チップを装着する。本例では、アーク蒸発源11、12に所定の金属原料(例えば、TiやSiなど)をセットし、UBMパッタ源にAl(アルミニウム)をセットした。
【００２４】
そして、成膜装置10内を真空度1×10-3Pa以下に真空引きした後、基材20を500℃まで加熱して1時間保持する。その後、ガス導入口15よりArガスを導入して成膜装置10内を3Paに保った状態で基材20に−1000Vの電圧をかけて、Arガス中でグロー放電を発生させ、Arイオンにより基材20表面をクリーニングする。次に、基材20に所定のバイアス電圧をかけた後、アーク蒸発源11、12を真空アーク放電させて、ガス導入口15よりN2(窒素ガス)、又はN2及びCH4(メタンガス)を成膜装置10内に導入して内層を形成する。次に、ガス導入口15よりAr(アルゴンガス)及びO2(酸素ガス)を成膜装置10内に導入してUBMスパッタ源13を放電させて外層(酸化アルミニウム層)を形成する。
【００２５】
コーティング層を構成する各層は、放電時間、バイアス電圧、成膜温度、炉内圧力などを調整することで、膜厚、圧縮応力を異ならせた。試料1-1〜1-10では、内層中の圧縮応力が1〜3GPaとなるようにバイアス電圧を50〜200V、成膜温度を300〜500℃、炉内圧力1〜3GPaにして内層を形成した。また、試料1-1〜1-10では、内層中の圧縮応力が外層中の圧縮応力よりも大きくなるように、バイアス電圧を外層形成時よりも高めにして内層を形成した。各層の圧縮応力は、Cu-Kα線を用いてsin2φ法により測定した。更に、試料1-1〜1-10では、成膜温度が500℃〜650℃、炉内圧力0.2Paとすることで、結晶質である酸化アルミニウムを得た。なお、結晶質である酸化アルミニウムの含有量は、約30〜100体積％であった。含有量は、TEM観察、X線回折により求めた。代表的な成膜条件として試料1-1の成膜条件を表2に示す。
【００２６】
【表２】
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【００２７】
上記のように基材上にコーティング層を形成した刃先交換チップを一般的に用いられるホルダに取り付け、これら工具の切削評価を行った。評価は、直径φ300mm、幅700mmのSCM435からなる4本のスリット入り被削材を切削速度300m/min、切込み量1.5mm、送り速度0.2mm/刃、湿式で切削加工を行い、切削長1.2km時点(切削時間：4分)での逃げ面摩耗幅を測定することで行った。逃げ面摩耗幅の測定結果を表3に示す。
【００２８】
【表３】
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【００２９】
表3から、特定組成の内層、及び少なくとも一部が結晶質の酸化アルミニウムからなる外層とを具え、内層中の圧縮応力が外層中の圧縮応力よりも大きいコーティング層を具える試料1-1〜1-10は、合金鋼の高速旋削加工において、耐欠損性に優れ、優れた耐摩耗性を発揮することが確認された。特に、断続切削といったより過酷な条件であっても、優れた特性を有することがわかる。また、表3から外層を構成する酸化アルミニウムの膜厚は、1.5μm以下が好ましいことがわかる。更に、コーティング層全体の膜厚は、1〜10μmが好ましいことがわかる。
【００３０】
上記試料1-1と同様の組成で、成膜条件を変化させることで、外層に対する内層の圧縮応力が1.3倍となるコーティング層を被覆したチップを作製して、上記と同様の切削条件で切削評価を行ったところ、同圧縮応力が1.5倍以上である試料1-1の方が逃げ面摩耗幅が小さかった。従って、外層に対する内層の圧縮応力は、1.5倍以上が好ましいことがわかる。
【００３１】
試料1-1〜1-10と同様の組成で同様の条件で最内層、内層、外層を形成した後、最表面にTiNからなる最表面層(膜厚0.3μm)をUBMスパッタ法にて形成したチップを作製して、上記と同様の切削条件で切削評価を行ったところ、いずれのチップも、試料1-1〜1-10と比較して、切削加工面の面粗さが小さく、面粗さを向上させることができた。
【００３２】
試料1-1〜1-10と同様の組成で同様の条件で最内層、内層を形成した後、中間層として、Ti2O3からなる層(膜厚0.2μm)、又はCr2O3からなる層(膜厚0.2μm)をUBMスパッタ法にて形成し、更に、試料1-1〜1-10と同様の組成で同様の条件で外層を形成したチップを作製して、上記と同様の切削条件で切削評価を行った。すると、いずれのチップも、試料1-1〜1-10と比較して、内層と外層との間の密着力が向上して、耐摩耗性をより向上させることができた。
【００３３】
試料1-1〜1-10のそれぞれにおいて、同様の組成で同様の条件で最内層、内層を形成した後、外層として、酸化アルミニウムにTiを含む試料、酸化アルミニウムにZrを含む試料、酸化アルミニウムにBを含む試料をUBMスパッタ法にて形成した。本例では、別途設けたUBMスパッタ源にTi、Zr、Bをそれぞれセットし、外層の形成の際にAlのUBMスパッタ源と合わせて放電させることで、酸化アルミニウムにTi、Zr、Bを含有させた。上記コーティング層を形成したチップを上記と同様の切削条件で切削評価を行った。すると、酸化アルミニウムにTiを含む外層(Ti含有量：10質量％)を具えるチップはいずれも、試料1-1〜1-10と比較して、耐摩耗性をより向上させることができた。酸化アルミニウムにZrを含む外層(Zr含有量：35質量％)を具えるチップは、いずれも試料1-1〜1-10と比較して、耐熱性に優れていた。そして、酸化アルミニウムにBを含む外層(B含有量：5質量％)を具えるチップは、いずれも試料1-1〜1-10と比較して、耐剥離性に優れていた。
【実施例２】
【００３４】
ISO規格：型番SDKN42形状、P30超硬合金(Co：10質量％)からなるフライス切削用刃先交換チップ基材に表1に示すコーティング層を被覆した刃先交換チップを作製した。コーティング層の形成方法は、実施例1と同じである。
【００３５】
これら基材上にコーティング層を形成した刃先交換チップを一般的に用いられるカッターボディに取り付け、これら工具の切削評価を行った。評価は、長さ300mm、幅100mmのSCM435からなる被削材を切削速度300m/min、切込み量2.0mm、送り速度0.25mm/刃、乾式で切削加工を行い、切削長1.5m時点での逃げ面摩耗幅を測定することで行った。逃げ面摩耗幅の測定結果を表4に示す。
【００３６】
【表４】
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【００３７】
表4から、上記実施例1と同様に特定組成の内層、及び少なくとも一部が結晶質の酸化アルミニウムからなる外層とを具え、内層中の圧縮応力が外層中の圧縮応力よりも大きいコーティング層を具える試料2-1〜2-10は、合金鋼材の高速フライス加工において、耐欠損性に優れ、優れた耐摩耗性を発揮することが確認された。特に、ドライ加工といったより過酷な条件であっても、優れた特性を有することがわかる。
【実施例３】
【００３８】
ISO規格：型番CNMG120408形状、P10サーメットからなる旋削加工用刃先交換チップ基材に表1に示すコーティング層を被覆した刃先交換チップを作製した。コーティング層の形成方法は、実施例1と同じである。
【００３９】
これら基材上にコーティング層を形成した刃先交換チップを一般的に用いられるホルダに取り付け、これら工具の切削評価を行った。評価は、直径φ300mm、長さ700mmのSCM435からなる被削材を切削速度350m/min、切込み量1.5mm、送り速度0.15mm/rev、湿式で切削加工を行い、切削時間7分時点での逃げ面摩耗幅を測定することで行った。逃げ面摩耗幅の測定結果を表5に示す。
【００４０】
【表５】
2005138212.tif 000007
【００４１】
表5から、上記実施例1、2と同様に特定組成の内層、及び少なくとも一部が結晶質の酸化アルミニウムからなる外層とを具え、内層中の圧縮応力が外層中の圧縮応力よりも大きいコーティング層を具える試料3-1〜3-10は、合金鋼材の高速旋削加工において、耐欠損性に優れ、優れた耐摩耗性を発揮することが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、特に、高速、ドライ加工、断続切削、重切削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】
【００４３】
【図１】成膜装置の概略構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４４】
10  成膜装置  11,12  アーク蒸発源  13  UBMスパッタ源  14  保持具
20  基材
【図１】
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